Bài giảng tóm tắt Mạng máy tính - Trần Ngô Như Khánh

Nội dung text: Bài giảng tóm tắt Mạng máy tính - Trần Ngô Như Khánh

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC ĐÀ LẠT KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TRẦN NGÔ NHƯ KHÁNH BÀI GIẢNG TÓM TẮT MẠNG MÁY TÍNH Dành cho sinh viên ngành Công nghệ Thông tin (Lưu hành nội bộ) Đà Lạt 2008
2. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Mục Lục Chương I. Những khái niệm căn bản về mạng 4 I.1. Khái niệm và phân loại mạng 4 I.2. Dịch vụ mạng 8 I.3. Giao thức mạng 8 I.4. Các mô hình tham chiếu(reference models) 10 I.5. Hệ điều hành trong môi trường mạng 15 I.6. Mạng Internet 16 Chương II. Tầng vật lý 18 II.1. Chức năng 18 II.2. Môi trường truyền tin 18 II.3. Đặc tả các loại cáp mạng 20 II.4. Chuẩn giao diện 22 Chương III. Giao thức tầng liên kết dữ liệu 24 III.1. Chức năng và dịch vụ 24 III.2. Cơ chế phát hiện và sửa lỗi 30 III.3. Các giao thức đa truy cập 33 III.4. Khái niệm mạng LAN 38 III.5. Địa chỉ vật lý (MAC address) 47 III.6. Một số công nghệ tầng liên kết dữ liệu khác 47 Chương IV. Giao thức tầng mạng 53 IV.1. Chức năng của tầng mạng 53 IV.2. Bộ định tuyến và các thiết bị kết nối mạng khác: 56 IV.3. Giao thức IP (IP Protocol) 61 IV.4. Các giao thức liên quan đến IP 69 IV.5. Giao thức định tuyến 70 IV.6. Định tuyến trên Internet 77 Chương V. Giao thức tầng giao vận 79 V.1. Dịch vụ tầng vận chuyển 79 Trang 1
3. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh V.2. Giao thức không kết nối UDP 80 V.3. Giao thức hướng kết nối TCP 81 V.4. So sánh TCP và UDP 87 Chương VI. Giao thức tầng ứng dụng 89 VI.1. Chức năng: 89 VI.2. World Wide Web - HTTP 89 VI.3. Giao thức truyền File-FTP 92 VI.4. Giao thức SMTP 93 VI.5. Các giao thức nhận mail: 102 VI.6. Dịch vụ phân giải tên miền (DNS Services-Domain Name System Services) 105 Trang 2
4. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Mở đầu Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của công nghệ thông tin ngày nay, mạng máy tính đóng một vai trò quan trọng, cung cấp những dịch vụ tiện ích cho nhiều lĩnh vực đời sống xã hội khác nhau. Giáo trình này nhằm cung cấp cho sinh viên ngành Công nghệ Thông tin những kiến thức căn bản về mạng máy tính, cách thức hoạt động và tổ chức của một hệ thống mạng. Các khái niệm về kiến trúc phân tầng, các giao thức mạng trong các tầng khác nhau. Tài liệu cũng trình bày về mô hình TCP/IP, các công nghệ mạng phổ biến, các thiết bị cần thiết để triển khai một hạ tầng mạng, khái niệm địa chỉ IP, định tuyến, Tuy đã có nhiều cố gắng trong quá trình biên soạn nhưng vẫn còn nhiều thiếu sót, chúng tôi mong nhận được các ý kiến đóng góp của các thầy cô, đồng nghiệp và các bạn sinh viên để chúng tôi có thể hoàn thiện giáo trình này hơn. Trang 3
5. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Chương I. Những khái niệm căn bản về mạng I.1. Khái niệm và phân loại mạng I.1.1. Khái niệm Mạng máy tính là tập hợp nhiều máy tính điện tử và các thiết bị đầu cuối được kết nối với nhau bằng các thiết bị liên lạc nhằm trao đổi thông tin, cùng chia sẽ phần cứng, phần mềm và dữ liệu với nhau. Mạng máy tính bao gồm phần cứng, các giao thức và các phần mềm mạng. Khi nghiên cứu về mạng máy tính, các vấn đề quan trọng được xem xét là giao thức mạng, cấu hình kết nối mạng và các địch vụ trên mạng. Mạng máy tính có những công dụng như sau: 1. Tập trung tài nguyên tại môt số máy và chia sẽ cho nhiều máy khác • Nhiều người có thể dùng chung một tiện ích. • Dữ liệu đựơc quản lý tập trung nên an toàn hơn, trao đổi giữa người sử dụng thuận lợi hơn, nhanh chóng hơn. • Mạng máy tính cho phép người lập trình ở một trung tâm máy tính này có thể sử dụng các chương trình tiện ích của một trung tâm máy tính khác đang rỗi, sẽ làm tăng hiệu quả kinh tế của hệ thống. 2. Khắc phục trở ngại về khoảng cách địa lý. 3. Tăng chất lượng và hiệu quả khai thác thông tin. 4. Cho phép thực hiện những ứng dụng tin học phân tán. 5. Độ an toàn, tin cậy của hệ thống tăng lên nhờ khả năng thay thế máy có sự cố khi có sự cố: An toàn cho dữ liệu của phần mềm vì phần mềm mạng sẽ khóa các tập tin khi có người không đủ quyền hạn truy xuất các tập tin và các thư mục đó. 6. Phát triển các công nghệ trên mạng: Người sử dụng có thể trao đổi thông tin với nhau dễ dàng và sử dụng các hệ mạng như là một công cụ để phổ biến tin tức, thông báo về một chính sách mới, về nội dung buổi họp, về các thông tin kinh tế như giá cả thị trương, tin rao vặt (muốn bán hoặc mua một cái gì đó), hoặc sắp xếp thời khóa biểu của mình chen lẫn với thời khóa biểu của những người khác I.1.2. Phân loại mạng • Dựa theo khoảng cách địa lý Trang 4
6. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Mạng máy tính có thể phân bổ trên một khu vực nhất định trong phạm vị quốc gia hay toàn cầu. Dựa vào phạm vi phân bố, người ta có thể phân ra các loại mạng như sau: a. LAN ( Local Area Netwowk – mạng cục bộ): LAN thường được sử dụng trong nội bộ một cơ quan tổ chức kết nối các máy tính trong một khu vực bán kính khoảng 100m đến 100km. Kết nối được thực hiện thông qua các môi trường truyền thông tốc độ cao, ví dụ cáp đồng trục hay cáp quang. b. MAN (Metropolitan Area Network – mạng đô thị) : Kết nối các máy tính trong phạm vi một thành phố. Kết nối này được thực hiện qua các môi trường truyền thông tốc độ cao ( 50 – 100 Mbit/s) c. WAN (Wide Area Network – mạng diện rộng) : Kết nối các máy tính trong nội bộ các quốc gia hay các quốc gia trong cùng một châu lục. Thông thường 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. d. GAN (Global Area Network - Mạng toàn cầu) : Kết nối máy tính từ các châu lục khác nhau. Thông thường kết nối này được thực hiện thông qua mạng viễn thông và vệ tinh. Trong các khái niệm nói trên, WAN và LAN là hai khái niệm hay được sử dụng nhất. • Dựa theo cấu trúc mạng 1. Kiểu điểm - điểm (point – to – point) Đường truyền nối từng cặp nút mạng với nhau. Thông tin đi từ nút nguồn qua nút trung gian rồi gởi tiếp nếu đường truyền không bị bận. Do đó còn có tên là mạng lưu trữ và chuyển tiếp (store and forward). Ví dụ: mạng hình sao(star), dạng vòng (ring), dạng cấp bậc (hierarchical) 2. Kiểu quảng bá (broadcast) Bản tin được gửi đi từ một nút nào đó sẽ được tiếp nhận bởi các nút còn lại (còn gọi là broadcasting hay point-to-multipoint). Trong bản tin phải có vùng địa chỉ cho phép mỗi nút kiểm tra xem có phải bản tin của mình không và xử lý nếu đúng bản tin được gởi đến. Ví dụ: mạng bus. Trong cấu trúc dạng Bus và Vòng cơ chế “Trọng tài” dùng để giải quyết các xung đột (collision) xảy ra khi nhiều nút muốn truyền tin đồng thời. Trong cấu trúc vệ tinh hoặc radio, mỗi nút cần có ăng ten thu và phát. Trang 5
7. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hìng I-1. Một số dạng cấu trúc mạng • Dựa theo phương pháp chuyển mạch - Mạng chuyển kênh (Line switching network), ví dụ như mạng điện thoại. - Mạng chuyển mạch thông báo (Message switching network) - Mạng chuyển mạch gói (Packet switching network) 1. Mạng chuyển mạch kênh Chuyển mạch kênh (line switching) được dùng trong mạng điện thoại. Một kênh cố định được thiết lập các cặp thực thể cần liên lạc với nhau. Mạng này có hiệu suất không cao vì có lúc kênh bỏ không. Hình I-2. Mạng chuyển mạch kênh. 2. Mạng chuyển mạch bản tin Trang 6
8. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình I-3. Phương pháp chuyển mạch thông báo Các nút của mạng căn cứ vào địa chỉ đích của “bản tin” để chọn nút kết tiếp. Như vậy các nút cần lưu trữ và đọc tin nhận được, quản lý việc truyền tin. Trong trường hợp bản tin quá dài và nếu sai phải truyền lại thì hiệu suất không cao. Phương pháp này giống như cách gởi thư thông thường. Ưu điểm so với phương pháp chuyển mạch kênh: • Hiệu suất sử dụng đường truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền mà được chia cho nhiều thực thể. • Mỗi nút mạng (hay nút chuyển mạch thông báo) có thể lưu trữ bản tin cho tới khi kênh truyền mới gởi bản tin lại. Do đó giảm được tình trạng tắc nghẽn (congestion) trên mạng. • Điều khiển việc truyền tin bằng cách sắp xếp độ ưu tiên của các bản tin. • Có thể tăng hiệu suất sử dụng giải thông của mạch bằng cách gán địa chỉ quảng bá (broadcast) để gởi bản tin đồng thời đến nhiều đích. Nhược điểm • Do không hạn chế kích thước của bản tin nên có thể dẫn đến phí tổn lưu trữ tạm thời cao và ảnh hưởng đến thời gian hồi đáp và chất lượng truyền đi. • Mạng chuyển mạch thông báo thích hợp với các dịch vụ thông tin kiểu thư điện tử (Email) hơn là đối với các ứng dụng có tính thời gian thực vì tồn tại độ trễ nhất định do lưu trữ và xử lý thông tin điều khiển tại mỗi nút. 3. Mạng chuyển mạch gói Bản tin được chia thành nhiều gói tin (packet) với độ dài 512 bytes, phần đầu là địa chỉ đích, mã để tập hợp các gói. Các gói của các bản tin khác nhau có thể được truyền độc lập trên cùng một đường truyền. Vấn đề phức tạp ở đây là tạo lại bản tin ban đầu, đặc biệt khi được truyền trên nhiều con đường khác nhau. Trang 7
9. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình I-4. Mạng chuyển mạch gói Chuyển mạch gói mềm dẻo, hiệu suất cao. Xu hướng phát triển hiện nay là sử dụng hai kỹ thuật chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói cùng một mạng thống nhất gọi là ISDN (Interated Services Digital Network – Mạng thông số đa dịch vụ). I.2. Dịch vụ mạng Một số dịch vụ mạng phổ biến: • Dịch vụ tập tin (File Services): Cho phép các máy tính trên mạng chia sẻ tập tin với nhau. • Dịch vụ in ấn (Print Service): Nhiều máy trên mạng sử dụng chung một máy in. Giúp giảm chi phí và tăng độ linh hoạt • Dịch vụ thư tính (Message Service): Là dịch vụ cho phép gửi/nhận thư điện tử. Thư có thể kèm phim ảnh, âm thanh, • Dịch vụ thư mục (Directory Service): Cho phép quản lý tất cả thông tin các đối tượng trên mạng, nhờ đó quá trình quản lý và chia sẻ tài nguyên hiệu quả hơn. • Dịch vụ ứng dụng (Application Service): Dịch vụ cung cấp kết quả cho các chương trình ở client bằng cách thực hiện các chương trình phù hợp ở server. I.3. Giao thức mạng Giao thức (protocol) là tập hợp các quy tắc giao tiếp giữa các hệ máy tính. Giao thức có các chức năng chính sau: 1. Định nghĩa cấu trúc khung một cách chính xác cho từng byte, các kí tự và bản tin. 2. Phát hiện và xử lý lỗi, thông thường là gửi lại bản tin gốc sau khi phát hiện lần trước bị lỗi. Trang 8
10. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh 3. Quản lý thứ tự các lệnh để đếm bản tin, nhận dạng, tránh mất hoặc nhận thừa bản tin. 4. Đảm bảo không nhầm lẫn bản tin và lệnh. 5. Chỉ ra các thuộc tính đường dây khi lập các đường nối đa điểm hoặc bán song công (cho biết ai đang trao đổi thông tin với ai). 6. Giải quyến vấn đề xung đột truy cập (yêu cầu đồng thời), gửi khi chưa có số liệu, mất liên lạc, khởi động. Để giảm độ phức tạp thiết kế, giao thức mạng hiện nay được thiết kế theo kiến trúc đa tầng, mỗi tầng được xây dựng trên tầng trước nó, tầng bên dưới sẽ cung cấp dịch vụ cho tầng bên trên. Tầng N trên một máy sẽ thực hiện việc giao tiếp với tầng N trên máy khác. Các nguyên tắc, luật lệ sử dụng cho việc giao tiếp này gọi là các giao thức của tầng N. Các thực thể (entity) nằm trên tầng tương ứng ở những máy khác nhau gọi là các tiến trình đồng mức. Các tiến trình đồng mức giao tiếp với nhau bằng các giao thức của tầng đó. Giữa hai tầng kề nhau tồn tại một giao diện (interface) xác định các hàm nguyên thủy và các dịch vụ tầng dưới cung cấp cho tầng bên trên. Tập hợp các tầng và các giao thức hình thành kiến trúc mạng (Network Architecture). Cấu trúc phân tầng của máy tính có ý nghĩa đặc biệt như sau: • Thuận tiện trong việc thiết kế, xây dựng và cài đặt các mạng máy tính, trong đó mỗi hệ thống được xem là cấu trúc đa tầng. • Mỗi tầng được xây dựng trên cơ sở tầng trước đó, tầng dưới cung cấp dịch vụ cho tầng bên trên. • Tập hợp các giao thức, các vấn đề kĩ thuật và công nghệ có thể được khảo sát, nghiên cứu, triển khai độc lập với nhau. Hình I-5. Mô hình trao đổi dữ liệu giữa các tầng Trang 9
11. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh I.4. Các mô hình tham chiếu(reference models) I.4.1. Mô hình OSI Mô hình OSI (Open System Interconnection) là một cơ sở dành cho việc chuẩn hoá các hệ thống truyền thông, nó được nghiên cứu và xây dựng bởi ISO. Việc nghiên cứu về mô hình OSI được bắt đầu tại ISO vào năm 1971 với mục tiêu nhằm tới việc nối kết các sản phẩm của các hãng sản xuất khác nhau và phối hợp các hoạt động chuẩn hoá trong các lĩnh vực viễn thông và hệ thống thông tin. Theo mô hình OSI, chương trình truyền thông được chia ra thành 7 tầng với những chức năng phân biệt cho từng tầng. Hai tầng đồng mức khi liên kết với nhau phải sử dụng một giao thức chung. Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức huớng liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless) • Giao thức hướng liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết này, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu. • Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó. Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt: • Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống thương lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn sau (truyền dữ liệu). • Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo (như kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu. • Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết để dùng cho liên kết khác. Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu. Trang 10
12. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình I-6. Mô hình OSI Chức năng các tầng trong mô hình OSI: • Tầng ứng dụng (Application layer): tầng ứng dụng quy định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI, nó cung cấp các phương tiện cho người sử dụng truy cập vả sử dụng các dịch vụ của mô hình OSI. • Tầng trình bày (Presentation layer): tầng trình bày chuyển đổi các thông tin từ cú pháp người sử dụng sang cú pháp để truyền dữ liệu, ngoài ra nó có thể nén dữ liệu truyền và mã hóa chúng trước khi truyền đễ bảo mật. • Tầng phiên (Session layer): tầng phiên quy định một giao diện ứng dụng cho tầng vận chuyển sử dụng. Nó xác lập ánh xạ giữa các tên, đặt địa chỉ, tạo ra các tiếp xúc ban đầu giữa các máy tính khác nhau trên cơ sở các giao dịch truyền thông. Nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại riêng với nhau. • Tầng vận chuyển (Transport layer): tầng vận chuyển xác định địa chỉ trên mạng, cách thức chuyển giao gói tin trên cơ sở trực tiếp giữa hai đầu mút (end-to-end). Để bảo đảm được việc truyền ổn định trên mạng tầng vận chuyển thường đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo thứ tự. • Tầng mạng (Network layer): tầng mạng có nhiệm vụ xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói tin này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng. Trang 11
13. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Tầng liên kết dữ liệu (Data link layer): tầng liên kết dữ liệu có nhiệm vụ xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng, các dạng thức chung trong các gói tin, đóng các gói tin • Tầng vật lý (Physical layer): tầng vật lý cung cấp phương thức truy cập vào đường truyền vật lý để truyền các dòng bit không cấu trúc, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết I.4.2. Mô hình TCP/IP Mô hình OSI chỉ mang tính chất lý thuyết, phục vụ nghiên cứu và học tập. Có nhiều mô hình khác nhau như NetBIOS, IPX/SPX, nhưng mô hình được sử dụng rộng rãi cho Internet là TCP/IP. Về lịch sử phát triển, vào cuối những năm 1960 và đầu 1970, bộ quốc phòng Mỹ (Department of Defense - DoD) được giao trách nhiệm phát triển mạng ARPANET. Mạng ARPANET bao gồm mạng của những tổ chức quân đội, các trường đại học và các tổ chức nghiên cứu kết nối bằng đường điện thoại, được dùng để hỗ trợ cho những dự án nghiên cứu khoa học và quân đội. Khi vệ tinh và mạng vô tuyến được sử dụng để trao đổi thông tin, các giao thức cũ không còn đủ đáp ứng dẫn đến yêu cầu có một kiến trúc tham chiếu mới. Vì vậy khả năng kết nối linh động nhiều mạng khác nhau được đặt lên hàng đầu. Kiến trúc này sau đó được biết đến với tên gọi mô hình tham chiếu TCP/IP, dựa trên hai giao thức chính của kiến trúc. Mô hình kiến trúc TCP/IP được chia làm 4 tầng: 1. Tầng truy cập mạng (Network Access) Cung cấp cho hệ thống phương thức để truyền dữ liệu trên các thiết bị phần cứng vật lý khác nhau của mạng. Đồng thời đóng gói các lược đồ dữ liệu IP (IP datagram) thành các khung (frame) truyền trên mạng và ánh xạ địa chỉ IP thành các địa chỉ vật lý tương ứng. Tầng này còn định nghĩa cách thức truyền các khối dữ liệu IP, các giao thức của tầng này phải biết chi tiết cấu trúc vật lý mạng ở dưới để định dạng chính xác dữ liệu sẽ được truyền. 2. Tầng mạng Tầng mạng chịu trách nhiệm định tuyến các bản tin (message) qua các mạng vật lý khác nhau, liên mạng. Giao thức chính của tầng này là IP, cung cấp dịch vụ giao nhận gói tin cơ bản trên các mạng TCP/IP. Giao thức IP bổ sung một địa chỉ logic là gọi là địa chỉ IP được sử dụng để nhận diện thiết bị và định tuyến liên mạng. Trang 12
14. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình I-7. Các lớp tương ứng giữa TCP/IP và OSI 3. Tầng giao vận Tầng giao vận còn được gọi là tầng truyền Trạm-tới-Trạm (Host-to-Host) chịu trách nhiệm cung cấp cho tầng ứng dụng các dịch vụ tạo lập phiên và truyền dữ liệu. Các giao thức chính của tầng Giao vận là TCP (Transmision Control Protocol) và UDP (User Datagram Protocol). • TCP cung cấp các dịch vụ truyền thông tin cậy một-một (one-to-one), hướng liên kết (connection-oriented). TCP chịu trách nhiệm thiết lập các kết nối TCP, gửi các gói tin có sắp xếp, thông báo, và các gói tin phục hồi dữ liệu bị mất trong quá trình truyền. • UDP cung cấp các dịch vụ truyền tin một-một, một-nhiều, không liên kết và không tin cậy. UDP được sử dụng khi lượng dữ liệu cần truyền nhỏ (ví dụ dữ liệu không điền hết một gói tin), khi việc thiết lập liên kết TCP là không cần thiết, hoặc khi các ứng dụng hoặc các giao thức tầng trên cung cấp dịch vụ đảm bảo trong khi truyền. Tầng Giao vận chịu trách nhiệm tầng Giao vận trong mô hình OSI và một số nhiệm vụ của tầng Phiên (Session) của OSI. 4. Tầng ứng dụng: Tầng ứng dụng cung cấp các ứng dụng với khả năng truy cập các dịch vụ của các tầng khác và định nghĩa các giao thức mà các ứng dụng sử dụng để trao đổi dữ liệu. Có nhiều giao thức tầng ứng dụng và các giao thức mới luôn luôn được phát triển. Các giao thức được ứng dụng rộng rãi nhất của tầng ứng dụng được sử dụng để trao đổi thông tin của người sử dụng là: • Giao thức truyền tin siêu văn bản HTTP (HyperText Transfer Protocol) được sử dụng để truyền các tệp tạo nên trang web của World Wide Web. Trang 13
15. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Giao thức FTP - File Transfer Protocol đơược sử dụng để thực hiện truyền file. • Giao thức SMTP - Simple Mail Transfer Protocol đơược sử dụng để truyền các thông điệp thư và các tệp đính kèm. • Telnet, một giao thức mô phỏng trạm đầu cuối, được sử dụng để đăng nhập từ xa vào các máy trạm trên mạng. Hình I-8 Các giao thức của TCP/IP Chuẩn mạng máy tính(network standards) Tình trạng không tương thích gữa các mạng đặc biệt là các mạng trên thị trường gây trở ngại cho những người sử dụng khác nhau. Do đó cần phải xây dựng mô hình chuẩn làm cơ sở cho các nhà nghiên cứu, thiết kế mạng để tạo ra các sản phẩm mới về mạng, dễ phổ cập, sản xuất, sử dụng. Các chuẩn có vai trò quan trọng trong công tác thiết kế và xây dựng các hệ thống kỹ thuật và công nghệ. Chuẩn hóa mạng máy tính là nêu ra các tiêu chuẩn cơ bản thống nhất về cấu trúc mạng giúp cho các mạng khác nhau có thể trap đổi thông tin được với nhau. Để mạng hoạt động đạt khả năng tối đa, các tiêu chuẩn được chọn phải cho phép mở rộng mạng để có thể phục vụ những ứng dụng không dự kiến trước trong tương lai tại lúc lắp đặt hệ thống và điều đó cũng cho phép mạng làm việc với những thiết bị được sản xuất từ nhiều hãng khác nhau. Một số tổ chức thực hiện chuẩn hóa mạng: 1. ISO (International Standards Organization – Tổ chức chuẩn hóa quốc tế) hoặt động dưới sự bảo trợ của LHQ. Thành viên của ISO là các cơ quan tiêu chuẩn hóa của các quốc gia và các ban chuyên môn. Ban TC97 được chia ra thành các tiểu ban và các nhóm công tác. Trang 14
16. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh 2. IEEE (Institute of Electrical and Electronic Engineers - Viện nghiên cứu các vấn đề về kỹ thuật điện và điện tử Mỹ) chịu trách nhiệm về tầng Data Link và physical. Phân ban các chuẩn này là phân ban 802 ( thành lập tháng 2 năm 1980) 3. CCITT (Commite Consultatof Intẻnational pour Télégraphe et Téléphone- Tổ chức tư vấn quốc tế về điện báo và điện thoại) hoạt động dưới sự bảo trợ của LHQ, chuyên nghiên cứu nhằm công bố các khuyến nghị thống nhất về mạng máy tính. Bao gồm các khuyến nghị liên quan đến việc truyền dữ liệu trên mạng, mạng ISDN. 4. ANSI (American National Standards Institute) – Viện nghiên cứu các chuẩn quốc gia Mỹ). 5. ECMA (European Computer Manufactures Association) – Hiệp hội máy tính Châu Âu. 6. ATM Forum (Asynchronous Transfers Mode) - Thực hiện các giải pháp cho mạng ISDN. 7. IETF (Internet Enggineering Task Force) - Sản xuất các chuẩn liên quan đến Internet (SNMP, TCP/IP ) I.5. Hệ điều hành trong môi trường mạng Việc lựa chọn hệ điều hành mạng (NOS – Network Operating System) làm nền tảng cho mạng phụ thuộc vào kính cỡ của mạng hiện tại và sự phát triển trong tương lai, ngoài ra còn tùy thuộc vào những ưu điểm và nhược điểm của từng hệ điều hành. Một số hệ điều hành mạng phổ biến hiện nay: • Hệ điều hành UNIX: là hệ điều hành do các nhà khoa học xây dựng và được dùng phổ biến trong giới khoa học, giáo dục. Hệ điều hạnh mạng UNIX là hệ điều hành đa nhiệm, đa người sử dụng, phục vụ cho truyền thông tốt. Nhược điểm của nó là hiện nay có nhiều version khác nhau, không thống nhất gây khó khăn cho người sử dụng và hệ điều hành này phức tạp. • Hệ điều hành mạng Windows 2000: là hệ điều hành của hãng Microsoft, cũng là hệ điều hành đa nhiệm, đa người sử dụng. Được xây dựng dựa trên công nghệ của hệ điều hành Windows NT. Đặc điểm của nó tương đối dễ sử dụng , hỗ trợ mạnh cho phần mềm WINDOWS. Windows 2000 có thể liên kết tốt với máy chủ Novell Netware, Unix. Tuy nhiên, để chạy có hiệu quả, Windows 2000 Server đòi hỏi cấu hình máy tương đối mạnh. Phiên bản tiếp theo là hệ điều hành Windows Server 2003. • Hệ điều hành mạng NetWare: là hệ điều hành của hãng Novell, nó có thể dùng cho các mạng nhỏ (khoảng từ 5 – 25 máy tính) và cũng có thể dùng cho các mạng lớn gồm hàng trăm máy tính. Netware là hệ điều hành LAN Trang 15
17. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh dùng cho các máy tính theo chuẩn IBM hay các máy Apple Macintosh, chạy trên hệ điều hành MS-DOS hoặc OS/2. I.6. Mạng Internet Vào những năm 60 thế kỷ 20, Bộ Quốc phòng Mỹ cho triển khai một mạng lưới thông tin với yêu cầu: nếu như một trạm trung chuyển nào đó trong mạng bị phá hủy, toàn bộ hệ thống thông tin vẫn hoạt động bình thường Cơ quan Nghiên cứu Dự án Cao cấp (ARPA – Advanced Research Projects Agency) thuộc Bộ Quốc phòng Mỹ được giao trách nhiệm thực hiện việc nghiên cứu kỹ thuật liên mạng(internet) nhằm đáp ứng yêu cầu trên. Đây là mạng chuyển mạch gói (paket switching) đầu tiên trên thế giới, lấy tên là ARPAnet. Ban đầu, ARPAnet chỉ gồm một vài mạng nhỏ được chọn lựa của các trung tâm nghiên cứu và phát triển khoa học. Giao thức truyền thông lúc bấy giờ là kiểu điểm- điểm, rất chậm và thường xuyên gây tắc nghẽn trên mạng. Để giải quyết vấn đề này, vào năm 1974 Vinton G. Cerf và Robert O. Kahn đưa ra ý tưởng thiết kế một bộ giao thức mạng mới thuận tiện hơn, đó chính là tiền thân của giao thức TCP/IP. Tháng 09/1983, dưới sự tài trợ của Bộ Quốc phòng Mỹ, Berkeley Software Distribution đưa ra bản Berkeley UNIX 4.2BSD có kết hợp giao thức TCP/IP. biến TCP/IP thành phương tiện kêt nối các hệ thống UNIX. Trên cơ sở đó , mạng ARPANET nhanh chóng lan rộng và chuyển từ mạng thực nghiệm sang hoạt động chính thức: nhiều trường đại học, viện nghiên cứu ghi tên gia nhập để trao đổi thông tin. Đến năm 1984, mạng ARPANET được chia thành hai nhóm là MILNET, dành cho Quốc phòng và nhóm mạng thứ hai vẫn gọi là ARPANET, dành cho nghiên cứu và phát triển. Hai nhóm này vẫn có mối liên hệ trao đổi dữ liệu với nhau qua giao thức TCP/IP và được gọi chung là Internet. Mạng Internet đã và đang trở thành phương tiện trao đổi thông tin toàn cầu, là phương thức thông tin nhanh với lưu lượng truyền tải dữ liệu rất lớn. Thông qua Internet mà các nhà nghiên cứu khoa học kỹ thuật, các cơ quan giáo dục đào tạo, các nhà doanh nghiệp, có thể trao đổi thông tin với nhau, hoặc truy cập thông tin của nhau về các công trình, các lĩnh vực nghiên cứu mới nhất; về các phương pháp, hình thức giáo dục và đào tạo, về các thông tin kinh tế, thị trường giá cả, một cách nhanh chóng, thuận tiện và dễ dàng. Mạng Internet không phải là một mạng đơn mà là bao gồm nhiều mạng con (sub-network) được kết nối với nhau thông qua các cổng (gateway). Thuật ngữ mạng con ở đây mang nghĩa một đơn vị mạng hoàn chỉnh trong hệ thống mạng lớn. Mạng con hoàn toàn có thể là một mạng WAN với quy mô quốc gia và có khả năng hoạt động độc lập với Internet. Do giao thức TCP/IP không phụ thuộc lớp vật lý, các mạng con có thể sử dụng những công nghệ ghép nối khác nhau (như Ethernet, X.25, ) mà vẫn giao tiếp được với nhau. Trang 16
18. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình I-9.Mô hình mạng Internet Các cổng được dùng để nối các mạng con tạo thành mạng lớn. Có hai cách kết nối mạng như sau: • Máy con nối trong mạng LAN( hay WAN) và mạng này nối với Internet • Máy con nối đến một trạm cung cấp dịch vụ Internet (Internet Service Provider), thông qua đó kêt nối vơi Internet. Các trạm ISP lại kết nối với Internet thông qua IAP (Internet Access Provider). Một IAP có thể làm luôn chức năng của ISP nhưng ngược lại thì không. Trang 17
19. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Chương II. Tầng vật lý II.1. Chức năng Tầng vật lý cung cấp phương thức truy cập vào đường truyền vật lý để truyền các dòng bit không cấu trúc, ngoài ra nó cung cấp các chuẩn về điện, dây cáp, đầu nối, kỹ thuật nối mạch điện, điện áp, tốc độ cáp truyền dẫn, giao diện nối kết và các mức nối kết II.2. Môi trường truyền tin Mục đích lắp đặt cáp là đảm bảo dung lượng (tốc độ) cần thiết cho các nhu cầu truyền thông trên mạng. Để hệ thống cáp hoạt động ổn định, người quản trị mạng cần cân đối các yếu tố sau: −Tốc độ truyền lớn nhất của hệ thống cáp hiện hành, khả năng nâng cấp. − Nhu cầu về tốc độ truyền thông trong những năm tới (5-10 năm) là bao nhiêu. − Chọn những loại cáp nào có trên thị trường. − Chi phí để lắp đặt cáp dự phòng. Việc kết nối vật lý một máy tính vào mạng được thực hiện bằng cách cắm một card giao tiếp mạng NIC (Network Interface Card) vào khe cắm của máy tính và nối với cáp mạng. Sau khi kết nối vật lý hoàn tất, việc quản lý truyền tin giữa các trạm trên mạng phục thuộc vào phần mềm mạng. NIC sẽ chuyển gói dữ liệu vào mạng LAN, gói tin được truyền đi như một dòng các bit dữ liệu thể hiện bằng các biến thiên tín hiệu điện. Khi nó chạy trong cáp dùng chung, mọi trạm gắn với cáp đều nhận tín hiệu này. NIC ở mỗi trạm sẽ kiểm tra địa chỉ đích trong tín hiệu đầu của gói để xác định đúng địa chỉ cần đến, đích ở trạm đó sẽ sao chép gói tín hiệu rồi lấy dữ liệu ra khỏi khung tin và đưa vào máy tính. Đặc tính của cáp bao gồm sự nhạy cảm với nhiễu của điện, độ mềm dẻo và khả năng uốn nắn để lắp đặt, cự ly truyền dữ liệu và tốc độ truyền (Mbps). Có ba nhóm cáp chính được sử dụng để nối hầu hết các mạng − Cáp đồng trục (Coaxial) − Cáp xoắn đôi (Twisted-pair) − Cáp quang (Fiber Optic) II.2.1. Card mạng Trang 18
20. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Card mạng, còn được gọi là card giao tiếp mạng-NIC, được lắp đặt tại mỗi máy trong mạng cục bộ. Card này có nhiệm vụ chuyển dữ liệu từ máy tính vào cáp mạng và ngược lại. Quá trình này chính là sự chuyển đổi từ tín hiệu số của máy tính thành tính hiệu điện hay quang được truyền trên cáp mạng. Đồng thời card mạng cũng thực hiện chức năng tổ hợp dữ liệu thành các gói và xác định nguồn đích của gói. Hình II-1 Card giao tiếp mạng Các loại đầu nối cho cáp mạng: − Mạng Thin Enthernet sử dụng các đầu cáp đồng trục BNC. − Mạng Thick Net sử dụng jack nối AUI 15 chân để cắm vào đầu DB 15 của card mạng. − Mạng Ethernet Twisted-pair sử dụng đầu nối RJ45. II.2.2. Cáp đồng trục: Cáp đồng trục được chế tạo gồm một dây đồng ở giữa chất cách điện, xung quanh chất cách điện được quấn bằng dây bên kim loại làm dây đất. Giữa dây đồng dẫn điện và dây đất có một lớp cách ly, ngoài cùng là vỏ bọc bảo vệ. Cáp đồng trục có hai loại : loại nhỏ (Thin) và loại to (Thick). Hình II-2 Cáp đồng trục Trang 19
21. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh II.2.3. Cáp xoắn cặp: Cáp xoắn gồm hai sợi dây đồng được xoắn cách điện với nhau. Nhiều đôi dây cáp xoắn gộp với nhau và được bọc chung bởi vỏ cáp hình thành cáp nhiều sợi. Loại cáp này có đặc tính là dễ bị ảnh hưởng của nhiễu điện nên chỉ truyền được dữ liệu ở cự ly khoảng 100m. Cáp xoắn đôi có hai loại là cáp xoắn đôi không có vỏ bọc(UTP) và cáp xoắn đôi có vỏ bọc(STP). Hình II-3 Cáp xoắn đôi UTP II.2.4. Cáp quang: Khi tín hiệu số được điều chế thành các tín hiệu xung ánh sáng thì được truyền tải qua cáp quang. Cáp quang bao gồm một sợi thủy tinh cực mảnh gọi là lõi (core), được bao phủ bởi lớp thủy tinh đồng tâm gọi là lớp vỏ bọc hay lớp phủ (cladding). Đôi khi các sợi được làm bằng chất dẻo. Chất dẻo dễ lắp đặt hơn nhưng không thể mang xung ánh sáng đi xa như thủy tinh. Mỗi sợi thủy tinh chỉ truyền được tín hiệu theo một hướng nhất định, do dó cáp thường có 2 sợi nằm trong vỏ bọc riêng biệt: một sợi truyển và một sợi nhận. Cáp quang có thể truyền tín hiệu đi xa với tốc độ cực nhanh (theo lý thuyết cáp quang có thể truyền tín hiệu với tốc độ tối đa 200.000 Mbps). II.3. Đặc tả các loại cáp mạng Thông thường đặc điểm kĩ thuật của cáp mạng gồm có: • Tốc độ truyền dữ liệu tối đa. Đây là đặc điểm quan trọng và ảnh hưởng bởi vật liệu chế tạo cáp. • Loại dữ liệu truyền. Có hai kĩ thuật truyền tín hiệu mã hóa lên mạng là truyền ở dải tầng gốc (baseband) và truyền ở dải tầng rộng (boardband). • Tín hiệu có thể truyền bao xa trên loại cáp cụ thể trước khi bị suy giảm Một số ví dụ: Trang 20
22. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • 10BASE2 o Tốc độ truyền dẫn 10 Mbps o Loại dữ liệu truyền là dải tầng gốc (kĩ thuật số) o Khoảng cách tối đa giữa hai nút là 200 m, còn gọi là cáp Thinnet Hình II-4 Cáp ThinNet • 10BASE5 o Tốc độ truyền dẫn 10 Mbps o Loại dữ liệu truyền là dải tầng gốc (kĩ thuật số) o Khoảng cách tối đa giữa hai nút là 500 m, còn gọi là cáp Thicknet Hình II-5 Cáp ThickNet • 100BASET o Tốc độ truyền dẫn 100 Mbps o Loại dữ liệu truyền là dải tầng gốc (kĩ thuật số) o Là cáp xoắn đôi. Trang 21
23. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình II-6 Cáp xoắn đôi II.4. Chuẩn giao diện II.4.1. Modem: Modem là bộ điều chế và giải điều chế, biến đổi các tín hiệu số thành tín hiệu tương tự và ngược lại trên mạng điện thoại. Tín hiệu số từ máy tính đến modem, được modem biến đổi thành tín hiệu tương tự để có thể đi qua mạng điện thoại. Tín hiệu này đến modem ở máy tính đầu kia, được biến đổi thành tín hiệu số đưa vào máy tính này. Các kỹ thuật điều chế cơ bản: − Điều chế biên độ AM: Các tín hiệu 0 và 1 được phân biệt bằng biên độ, còn tầng số của tín hiệu giống nhau. Điều chế biên độ dễ thực hiện nhưng dễ bị nhiễu. − Điều chế tần số FM: Các tín hiệu 0 và 1 được phân biệt bởi tần số, còn biên độ tín hiệu giống nhau. Kỹ thuật này phức tạp hơn nhưng tính chống nhiễu cao. − Điều chế theo pha PM: Các tín hiệu 0 và 1 được phân biệt theo pha của dao động, còn biên độ và tần số của các tín hiệu giống nhau. Điều pha cũng phức tạp nhưng tính chống nhiễu cao. Để tăng tốc độ truyền tin người ta kết hợp điều pha và điều biên gọi là đìều pha biên. Hiện nay có nhiều loại modem từ loại thấp 300, 600, 1200, 2400 bit/s đến loại 9600 bit/s. Các phương thức truyền dữ liệu giữa hai điểm có thể là: −Một chiều đơn (simplex). Trang 22
24. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh − Hai chiều luân phiên (half-duplex). − Hai chiều đầy đủ (duplex) II.4.2. DTE và DCE: DTE (Data Terminal Equipment-Đầu cuối số liệu): là các khái niệm được sử dụng để chỉ các máy mà người sử dụng bình thường thao tác trực tiếp lên đó. Các máy này có thể là máy tính hay trạm cuối. DCE (Data Communication Equipment-Đầu cuối truyền): là khái niệm chỉ các thiết bị cuối kênh dữ liệu có chức năng nối các DTE với các đường truyền vật lý và chuyển đổi dữ liệu. DCE có thể là các modem, multiplexer, Trang 23
25. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Chương III. Giao thức tầng liên kết dữ liệu III.1. Chức năng và dịch vụ III.1.1. Chức năng Tầng liên kết dữ liệu (Data link) thực hiện các công việc chính như sau: • Định danh các thiết bị trên mạng, cấu hình logic của mạng. • Điều khiển luồng dữ liệu và việc truy nhập ở tầng vật lý • Phát hiện và chỉnh sửa các lỗi xuất hiện trong quá trình truyền dữ liệu. Chức năng chính của tầng LKDL là tách rời các khung thành các bit để truyền đi và kiến tạo các khung (frames) từ các dòng bit nhận được. Tầng LKDL nghiên cứu các thuật toán thực hiện thông tin hiệu suất, tin cậy giữa hai máy cạnh nhau ở tầng 2. Đưa ra các thủ tục truyền tin có lưu ý đến lỗi có thể xảy ra do nhiễu trên đường dây, sự trễ do lan truyền. Thông thường, tầng LKDL có liên quan đến nhiễu của tín hiệu của phương tiện truyền vật lý, cho dù là truyền qua dây đồng, cáp quang hay truyền thông qua sóng ngắn. Nhiễu là một vấn đề rất thông thường và có thể do rất nhiều nguồn khác nhau, trong đó có cả nhiễu của các tia vũ trụ, nhiễu do tạp âm của khí quyển và từ các nguồn khác nhau. III.1.2. Cung cấp dịch vụ cho tầng mạng Tầng 2 chuyển dữ liệu từ mức 3 ở máy nguồn tới mức 3 của máy nhận. Hình III-1. Đường truyền dữ liệu trong tầng LKDL. Các dịch vụ tầng 2 có thể là: Trang 24
26. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh 1. Dịchvụ không kếtnối, không hồi báo (Unacknowledged Connectionless Service) 2. Dịch vụ không kết nối, có hồi báo (Acknowledged Connectionless Service) 3. Dịch vụ có kết nối (Connection Oriented Service) Dịch vụ kết nối có hường gồm 3 giai đoạn: kết nối, truyền số liệu, tách bỏ liên kết (kết thúc): CONECT, DATA, DISCONNECT. Dịch vụ không kết nối được thể hiện bằng một bước duy nhất là truyền tin, không cần thiết lập liên kết logic. Các đơn vị dữ liệu truyền độc lập với nhau. III.1.3. Khung tin - Nhận biết gói tin Để cung cấp dịch vụ cho tầng mạng, tầng LKDL phải dùng dịch vụ được cung cấp từ tầng vật lý. Tầng vật lý tiếp nhận dòng bit và giao cho nơi nhận. Dòng bit này có thể có lỗi. Tầng LKDL sẽ kiểm tra và nếu cần sẽ sửa lỗi. Tầng LKDL tách dòng bit thành các khung (flame) và tính thông số kiểm tra (checksum) cho mỗi khung tin này, nếu kết quả tính được khác với checksum chứa trong khung tin, nghĩa là có lỗi và khi đó lỗi sẽ được thông báo cho nơi gởi. Muốn tách các khung tin, có thể chèn các đoạn phân tách (timegaps) vào giữa các khung tin, giống như khoảng trống (space) giữa các từ trong văn bản. Nhưng điều này khó thực hiện nên người ta thường dùng các phương pháp sau: • Đếm số ký tự: hiện nay ít được dùng vì từ đếm cũng bị lỗi khi truyền. • Dùng ký tự bắt đầu (STX) và kết thúc (ETX) với ký tự đệm (DLE). • Dùng các cờ (flags) đánh dấu bắt đầu và kết thúc với các bít đệm. III.1.4. Điều khiển dòng truyền Để tận dụng đường dây, các tín hiệu biên nhận (ACK) được ghép cùng với gói tin. Khi gói tin đến, thay cho việc trả lời ngay tín hiệu bên nhận, bên thu nhận tiếp gói tin từ mạng để ghép cùng tín hiệu biên nhận và gởi trả lời. Kỹ thuật này được gọi là Piggybacking (ghép thêm). Ưu điểm của phương pháp này là tận dụng đường kênh. Nếu quá thời gian (vài µs) mà không có gói tín hiệu mới thì bên thu phải trả lời tín hiệu biên nhận để bên phát lại không phát lại gói tin cũ. Để tận dụng đường kênh, bên phát và bên thu phải đồng bộ để bên thu kịp nhận các gói tin và bên phát cũng không lãng phí đường truyền, người ta dùng cơ chế cửa sổ trượt (sliding windows). Cửa sổ mở to thì số gói tin đưa lên đường kênh nhiều hơn (tốc độ nhanh), cửa sổ mở bé thì số gói kênh đưa lên đường kênh ít lại (tốc độ chậm lại). Tương tự như cửa chắn đập nước. Trang 25
27. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh 1. Cơ chế cửa sổ Người ta dùng số bit để đặc trưng cho độ rộng cực đại của cửa sổ. Trong thủ tục này, mỗi gói tin đi sẽ được đánh số từ 0 đến Max (Max là 2 n – 1) thông qua một dãy gồm các số 0, 1. Chẳng hạn cửa sổ 3 bit sẽ quản lý các gói tin có số từ 0Æ 7. Ta có thể dùng n tùy ý. Danh sách các gói tin gởi đi trong cửa sổ phát. Danh sách các gói tin nhận được gởi trong cửa sổ nhận, cửa sổ phát và nhận không bắt buộc phải có kích thước, giới hạn trên và dưới giống nhau. Mặc dù thủ tục này cho phép tầng liên kết dữ liệu linh hoạt hơn về thứ tự gởi, nhận gói tin nhưng nó yêu cầu phải đảm bảo tầng mạng đích ở bên nhận có cùng thứ tự với tầng mạng nguồn ở bên gửi. • Cửa sổ bên phát Trong cửa sổ bên phát đặt các gói tin gởi đi nhưng chưa nhận được tín hiệu biên nhận. Khi nhận được gói tin mới đến từ tầng mạng để phát đi, biên trên cửa sổ tăng 1 và khi có tín hiệu biên nhận biên dưới của cửa sổ tăng 1. Bên phát luôn giữ trong bộ nhớ các gói tin đã phát đi nhưng chưa nhận được tín hiệu biên nhận vì có thể phát lại. Như vậy nếu Max bằng n thì bên phát cần n vùng đệm để các gói tin đã phát đi nhưng chưa nhận được trả lời. Nếu cửa sổ đã tới Max thì tầng liên kết giữ liệu bên phát ngừng nhận tin từ tầng 3 cho đến khi có bộ đệm tự do. • Cửa sổ bên nhận Cửa sổ bên nhận chứa các gói tin được chuyển đến. Khi gói tin có số thứ tự trùng biên dưới của cửa sổ được nhận, cửa sổ chuyển tin lên tầng ba, phát tín hiệu biên nhận và quay một đơn vị. Không như cửa bên phát, cửa sổ bên nhận luôn duy trì một kích thước. Khi kích thước cửa sổ bằng 1, tầng 2 nhận gói tin theo thứ tự. Nhưng nếu kích thước cửa sổ lớn hơn thì không phải như vậy. Hoạt động của cửa số có kích thước là 3 bit với độ trượt một bit như sau: Hình III-2. Điều khiển dòng truyền theo cơ chế cửa sổ (Bắt đầu-Gửi gói tin đầu tiên-Nhận tin và trả lời ACK-Nhận ACK) Trang 26
28. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh 2. Trao đổi bản tin với cửa sổ 1 bit Bản tin gồm có gói tin với phần điều khiển (Header). Phần điều khiển gồm có số thứ tự phát seg, số thứ tự nhận của ack, số gói tin. Trong trường hợp bình thường máy A gủi trước như sau: Hình III-3. Trao đổi bản tin với cửa sổ 1 bit bình thường. Trong trưòng hợp bất thường máy A và B cùng gởi như sau: Trang 27
29. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình III-4. Trao đổi bản tin với cửa sổ 1 bit bất thường. Máy A ở tầng 2 nhận gói tin ở tầng 3, tạo bản tin và gởi đi. Khi bản tin này đến tầng 2 máy B, nó sẽ được kiểm tra có bị lặp lại hay không. Nếu đúng là bản tin đang mong đợi thì nó được chuyển lên tầng 3 và cửa sổ nhận dịch đi một nấc. Vùng tín hiệu biên nhận chứa số bản tin cuối cùng đã được nhận mà không có lỗi, nếu số này trùng với số bản tin vừa gởi, bên phát sẽ lấy bản tin tiếp theo từ tầng mạng. Nếu số không đúng nó phải gởi lại bản tin cũ. 3. Vận chuyển liên tục Thực tế cho thấy thời gian từ lúc phát gói tin đến khi nhận trả lời biên nhận ACK là không đáng kể. Khi đó, nếu đường kênh vệ tinh có tốc độ 50Kbp/s với trễ lan truyền 500 ms, ta dùng thủ tục điều chỉnh dòng truyền gởi gói tin là 1000 bit qua vệ tinh. Thời gian phát gói tin 20 ms, vậy sau 520 ms mới nhận được tín hiệu biên nhận cho gói tin 0 cũng vừa đến. Kỹ thuật này gọi là Pipe-Lining (vận chuyển liên tục). Khi có gói tin ở đoạn giữa bị hỏng thì làm thế nào? Có bỏ những gói tin đúng đi tiếp sau nó không? Có hai phương pháp như sau: • Phát lại các gói tin kể từ gói tin hỏng (go back n) • Phát lại chỉ riêng gói tin bị hỏng, còn gọi phát tin có chọn lọc. • Phát lại từ gói tin hỏng. Trang 28
30. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Trong trường hợp này, bên thu hủy bỏ các gói tin tiếp theo gói tin bị hỏng. Bên phát phát lại các gói tin chưa được biên nhận bắt đầu từ gói tin bị hỏng. Phương pháp này lãng phí đường truyền vì phải phát lại nhiều gói tin. Hình III-5. Cơ chế vận chuyển liên tục * Phát lại có chọn lọc Hình III-6. Cơ chế phát bản tin có chọn lọc. Trong phương pháp này, các gói tin nhận được có thể không theo thứ tự nhưng sẽ được sắp xếp lại để chuyển lên tầng mạng theo đúng thứ tự. Khi có gói tin bị lỗi, bên thu tiếp tục thu các gói tin đứng sau gói tin hỏng ở tầng 2. Bên phát chỉ phát lại gói tin hỏng. Phương pháp này ứng với cửa sổ bên thu lớn hơn 1 và đòi hỏi bộ nhớ lớn để các gói tin sau gói tin hỏng. Trang 29
31. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh III.2. Cơ chế phát hiện và sửa lỗi Lỗi bit thường xảy ra trong frame. Mặc dù lỗi rất ít khi xảy ra, đặc biệt là trên cáp quang, tuy nhiên cần có những kỹ thuật để phát hiện lỗi khi lỗi xảy ra. Một kỹ thuật được biết trong việc phát hiện lỗi khi truyền là phương pháp kiểm tra CRC (cyclic redundancy check). Nó được sử dụng hầu hết trong các giao thức Byte-Oriented, Bit-Oriented, CSMA/CD và FDDI. Hai phương pháp đơn giản được sử dụng rộng rãi là: two-demensional parity và checksum. Two-demensional parity được sử dụng trong giao thức BISYNC lúc nó truyền các ký tự ASCII. Checksum được sử dụng bởi một vài giao thức Internet. Ý tưởng cơ bản của CRC là thêm các thông tin dư vào frame, thông tin này được sử dụng để phát hiện lỗi. Ví dụ chúng ta có thể truyền hai bản sao của dữ liệu, nếu hai bản sao giống nhau ở máy nhận, có thể là trong trường hợp này là cả hai đều đúng. Ngược lại, nếu hai bản sao này khác nhau thì một trong hai bản sao bị sai, do đó phải thực hiện truyền lại. Nhược điểm của các tiếp cận trên: • Thêm n bit dư cho một thông điệp n bit • Không phát hiện sai nếu lỗi sai xảy ra ở cùng một vị trí. Chúng ta có thể hoàn toàn cung cấp một khả năng phát hiện lỗi tốt với việc gửi k bit dư cho một thông điệp n bit (k<<n). Ví dụ trên Ethernet, mỗi khung mang 12000 bit (1500byte) dữ liệu chỉ yêu cầu mã 32 bit CRC. Việc thêm các bit không có nghĩa là thêm thông tin mới vào thông điệp. Thay vào đó, chúng có thể sử dụng một vài thuật toán tối ưu tác động trực tiếp vào thông điệp nguồn. Cả hai máy gửi và máy nhận biết chính xác thuật toán làm gì. Máy gửi tác động thuật toán đến thông điệp để tạo ra bit dư, sao đó nó truyền cả thông điệp và các bit dư. Máy nhận tác động cùng thuật toán vào thông điệp nhận, nếu phát hiện sai nó yêu cầu truyền lại hay sữa sai nếu có thể. Phát hiện lỗi chỉ là một phần của vấn đề, vấn đề tiếp theo là xử lý lỗi khi lỗi được phát hiện. Có hai cách phương pháp được sử dụng lúc phát hiện một thông điệp bị lỗi. • Thông báo cho máy gửi thông điệp bị lỗi và máy gửi sẽ truyền lại. • Nếu lỗi chỉ xảy ra tại một số bit nào đó, một số thuật toán sẽ phát hiện lỗi và cho phép tạo lại một thông điệp đúng như ban đầu thậm chí sau khi thông điệp đã bị hỏng. a. Two-Dimension Parity Trang 30
32. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình III-7. Phương pháp Two-dimesion parity b. Internet Checksum Thuật toán này không sử dụng ở mức liên kết tuy nhiên nó cung cấp cùng chức năng với CRC và parity. Ý tưởng: ta cộng tất cả các từ mà nó được truyền, sau đó truyền dữ liệu cùng với kết quả của phép cọng đó. Kết quả được gọi là checksum. Máy nhận thực hiện tính toán tương tự trên dữ liệu nhận và so sánh kết quả với kết quả cheksum. Nếu kết quả sai, máy nhận biết có lỗi xuất hiện. Thông thường người ta xem dữ liệu bị checksum là các số nguyên 16 bit, cộng tất cả các số nguyên này lại và ta được được kết quả là một số 16 bit. Đó chính là checksum. Ưu điểm: chỉ thêm vào 16 bit nhưng có thể kiểm tra dữ liệu chiều dài bất kỳ. Nhược điểm: nếu một cặp bit sai ở cùng một vị trí thì chúng không thể bị phát hiện. Lý do sử dụng một thuật toán này: • Nó rất dễ cài đặt trong phần mềm. Kinh nghiệm trong APPANET thì sử dụng thuật toán checksum như thế là đầy đủ. Trang 31
33. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Thuật toán này được bảo vệ bởi một giao thức end-to-end. Các lỗi chính hầu hết đã được phát hiện bởi các thuật toán phát hiện lỗi mạnh mẽ như là CRC tại mức liên kết. c. CRC CRC là phương pháp phát hiện lỗi thoả mãn việc sử dụng một số ít nhất các bit thêm vào nhưng có thể phát hiện tất cả các lỗi khi truyền. Ví dụ chỉ sử dụng 32 bit CRC có thể dùng để kiểm tra dữ liệu dài hàng ngàn byte. Hình III-8. Ví dụ minh họa phương pháp CRC Ý tưởng: Một thông điệp n+1 bit có thể được biễu diễn bởi một đa thức bậc n. Đa thức sử dụng giá trị của mỗi bit trong thông điệp làm hệ số của đa thức. Để hổ trợ cho việc tính CRC, máy gửi và máy nhận cùng sử dụng một đa thức chia. Có một nhóm các đa thức chia mà chúng là những chọn lựa rất tốt trên các các môi trường khác nhau và sự chọn lựa thường phụ thuộc vào việc thiết kế giao thức. Ví dụ Ethenet sử dụng CRC 32. Lúc máy gửi muốn chuyển một thông điệp M(x) mà nó dài (n+1)bit, điều gì thật sự xảy ra với một thông điệp n+1 bit và k bit thêm vào. • Gọi P(x) là đa thức gồm thông điệp truyền và bit dư. • Nếu P(x) được truyền qua liên kết và không có lỗi xuất hiện trong quá trình truyền, thì thiết bị nhận có thể chia P(x) cho C(x) với phần Trang 32
34. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh dư là 0. Ngược lại, nếu phần dư khác không thì máy nhận biết rằng có lỗi xuất hiện trong khi truyền. Nhận xét đa thức: • Các bậc của đa thức chỉ là 0 hoặc 1. • B(x) có thể chia cho C(x) nếu bậc của nó cao hơn C(x). • B(x) chỉ có thể chia một lần cho C(x) nếu mũ của chúng bằng nhau. • Phần dư của B(x) chia cho C(x) có thể lấy từ kết quả của việc lấy B(x)-C(x). • B(x) trừ C(x) thực chất là thực hiện phép XOR từng cặp hệ số. Thuật toán: Cộng k bit zero vào cuối thông điệp ta được thông điệp T(x). Chia T(x) cho C(x) và tìm phần dư. Trừ T(x) cho phần dư. Mạng Ethernet và 802.5 sử dụng CRC 32, HDLC sử dụng CRC_CCITT. ATM sử dụng CRC-8, 10, 12. Phương pháp kiễm tra lỗi này dễ dàng thi hành tại phần cứng, đơn giản chỉ là sử dụng thanh ghi và cổng XOR. Bảng 2.3 đưa ra một số đa thức sử dụng trong CRC. CRC C(x) CRC-8 x8 + x2 + x1 + 1 CRC-10 x10 + x9 + x5 + x4 + x1 + 1 CRC-12 x12 + x11 + x3 + x2 + 1 CRC-16 x16 + x15 + x2 + 1 CRC-CCITT x16 + x12 + x5 + 1 CRC-32 x32 + x26 + x23 + x22 + x16 + x12 +x11 + x10 + x8 + x7 + x5 + x4 +x2 + x +1 III.3. Các giao thức đa truy cập Giao thức dùng để đánh giá khả năng của một mạng được phân chia bởi các trạm như thế nào. Hệ số này được quyết định chủ yếu bởi hiệu quả sử dụng môi trường truy xuất (medium access) của giao thức. Mọi kênh phương tiện chỉ có thể hỗ trợ một lần tín hiệu. Nếu hai máy tính truyền trên kênh cùng một lúc, các tín hiệu của chúng sẽ gây nhiễu cho nhau (ví dụ như hai người cùng nói một lúc). Có hai phương pháp điều khiển việc truy nhập Trang 33
35. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh phương tiện để không xảy ra sự cố gây nhiễu: truy cập ngẫu nhiên và truy cập có điều khiển. a. Loại truy cập ngẫu nhiên Trạm có thể truy nhập phương tiện truyền tùy theo ý muốn, bất kỳ ở thời điểm ngẫu nhiên nào. • Kỹ thuật cập ngẫu nhiên đối với dạng bus ƒ Phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang (CSMA – Carrier Sense Multiple Access). ƒ Phương pháp đa truy nhập sử dụng sóng mang với phát hiện xung đột ( CSMA/CD – With Collision Detection) • Kỹ thuật cập ngẫu nhiên đối với dạng vòng ƒ Phương pháp chèn thanh ghi (Registeer insertion) ƒ Phương pháp vòng có ngăn (Slotted-ring) b. Loại truy nhập có điều khiển Phương pháp điều khiển tranh chấp thường thích hợp với các mạng có sự trao đổi dữ liệu không liên tục và tương đối ít máy tính. Đây là đạng thông dụng trong cấu trúc mạng cục bộ. • Kỹ thuật bus với thẻ bài (Tocken Bus): dùng cho các mạng LAN. • Kỹ thuật vòng với thẻ bài ( Tocken Ring): dùng cho các mạng LAN • Kỹ thuật tránh xung đột: dùng cho các mạng cục bộ tốc độ cao III.3.1. Phương pháp CSMA Còn được gọi là phương pháp LBT (Listen Before Talk – Nghe trước khi nói). Một trạm có dữ liệu cần truyền trước hết phải “nghe” xem phương tiện truyền rỗi hay bận. Nếu rỗi thì bắt đầu truyền tin, còn nếu bận thì thực hiện một trong ba giải thuật sau: • Giải thuật ‘non-persistent’ : Trạm rút lui (không kiên trì) chờ đợi một thời gian ngẫu nhiên nào đó rồi bắt đầu ‘nghe’ đường truyền. Giải thuật này có hiệu quả tránh xung đột nhưng có thời gian chết. • Giải thuật ‘l-persistent’: trạm tiếp tục nghe đến khi phương tiện truyền rỗi thì tiến hành truyền dữ liệu đi (với xác xuất 1). Giải thuật này giảm thời gian chết, xong nếu có nhiều trạm cùng chờ và tiến hành phát dữ liệu cùng một lần thì sẽ xảy ra xung đột. • Giải thuật ‘p-persistent’: Trạm tiếp tục nghe, đến khi phương tiện truyền rỗi thì tiến hành phát tin với một xác suất nhất định nào đo (mỗi trạm có gắn một hệ số ưu tiên). Ngược lại trạm ‘rút lui’ trong Trang 34
36. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh một thời gian cố định rồi truyền với sác xuất p hoặc tiếp tục chờ đợi với sác xuất 1-n. Giải thuật này phức tạp nhưng giảm được tối đa xung đột và thời gian chết. Phương pháp CSMA chỉ ‘nghe trước khi nói’, không có khả năng phát hiện xung đột trong quá trình truyền, dẫn đến lãng phí đường truyền. III.3.2. Phương pháp CSMA/CD Phương pháp CSMA/CD có nguồn gốc từ hệ thống radio đã phát triển ở trường đại học Hawai vào khoảng năm 1970, gọi là ALOHANET, còn được gọi là phương pháp LWT ( Listen While Talk – Nghe trong khi nói). Các va chạm luôn xảy ra tại một cấp nào đó trên các mạng, với số lượng tham gia tăng theo tỉ lệ thuận khi các phiên truyền gia tăng. Phương pháp CSMA/CD ngoài các chức năng của CSMA còn bổ xung các quy tắc sau: • Khi đang truyền vẫn tiếp tục nghe đường dây. • Nếu phát hiện có xung đột thì ngừng truyền và tiếp tục gởi sóng mang thêm một thời gian nữa để đảm bảo các trạm đều có thể nghe được sự kiện xung đột. • Sau khi chờ đợi một thời gian ngẫu nhiên thì trạm thử truyền lại bằng cách sử dụng các phương pháp của CSMA. Với phương pháp CSMA/CD, thời gian chiếm dụng vô ích đưòng truyền giảm xuống bằng thời gian dùng để phát hiện một đụng độ. CSMA/CD sử dụng ba giải thuật ‘persistent’ ở trên. Trong đó giải thuật ‘l-persistent’ được sử dụng trong mạng Ethernet, Mitrenet và được chọn cả trong chuẩn IEEE.802. Ngoài ra mỗi chuẩn LAN còn có thêm các cơ chế bổ sung. III.3.3. Điều khiển truy nhập bus với thẻ bài Các trạm trên bus tạo nên một vòng logic, được xác định vị trí theo một dãy thứ tự, trong đó trạm cuối sẽ tiếp liền ngay sau trạm đầu. Mỗi trạm được biết địa chỉ của các trạm kề sau và kề trước nó. Thẻ bài dùng cấp phát quyền truy nhập, được lưu chuyển trong vòng logic. Khi trạm nhận được thẻ bài thì được trao quyền sử dụng phương tiện trong một thời gian xác định để truyền dữ liệu. Khi truyền xong hoặc hết thời hạn, trạm sẽ chuyển thẻ bài đến trạm kế tiếp trong vòng logic. Các trạm không sử dụng thẻ bài vẫn có mặt trên bus nhưng chúng chỉ có thể trả lời cho yêu cầu xác nhận (nếu chúng là đích của gói tin nào đó). Thứ tự vật lý của trạm trên bus là không quan trọng, độc lập với thứ tự logic. Các chức năng: • Khởi tạo vòng logic: khi thiết lập mạng hoặc khi vòng logíc bị gãy. Trang 35
37. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Bổ sung trạm vào vòng logic (xem xét định kỳ) bằng cách mời nút đứng sau nhập vòng. Loại bỏ một trạm ra khỏi vòng logic bằng cách nối trạm trước và sau nó với nhau. • Quản lý sai sót: trùng địa chỉ, gãy vòng (các trạm bị treo, rơi vào trạng thái chờ lẫn nhau) bởi nút giữ Token. • Khi giữ thẻ mà không có trạm khác nhận được gói tin thì chứng tỏ nút khác đã có thẻ, lúc đó nó sẽ bỏ thẻ bằng cách chuyển sang trạng thái “nghe”. • Khi nút hoàn thành công việc, nó gởi thẻ đến nút đứng sau, nếu nút tiếp sau hoạt động thì nó gởi thể chuyển sang trạng thái bị động. Nếu ngược lại, nó gởi thẻ cho nút kế tiếp lần nữa. Nếu hai lần gởi không được thì xem như nút kế tiếp hỏng và gởi đi gói tin “tìm nút kế tiếp” để tìm nút tiếp theo. • Nếu không thành công thì nút bị xem là có sự cố. Nút ngừng hoạt động và “nghe” trên bus. ƒ Định dạng khung bản tin mạng mạng Token bus ƒ So sánh CSMA/CD và Token bus - Token bus quản lý phức tạp hơn so với CSMA/CD. Trong trường hợp tải nhẹ thì không hiệu quả bằng CMSA/CD (do phải qua nhiều trạm). - Tuy nhiên Token Bus có hiệu quả trong trường hợp tải nặng, dễ điều hòa lưu thông trên mạng Token bus. Không quy định độ dài tối thiểu của gói tin, không cần nghe trước khi nói. III.3.4. Điều khiển truy cập vòng với thẻ bài Đây là giao thức thông dụng được dùng trong các LAN có cấu trúc vòng (Ring). Phương pháp này sử dụng một khối tín hiệu đặc biệt gọi là Token di chuyển vòng quanh mạng theo một chiều xác định. Một trạm muốn truyền phải đợi cho đến khi nhận được thẻ bài. Khi một trạm đang chiếm token thì nó có thể phát đi một gói dữ liệu. Khi đã phát hết gói dữ liệu cho phép hoặc không còn gì để phát nữa thì trạm đó chuyển sang khung thẻ bài đến cho trạm kế tiếp trên mạng. Trong Token có chứa một địa chỉ đích và được luân chuyển tới các trạm theo một trật tự đã định trước. Đối với cấu hình dạng xoay vòng thì trất tự của sư truyền Token tương đương với trật tự vật lý của các trạm xung quanh vòng. Trang 36
38. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Các chuẩn mạng sử dụng phương pháp điều khiển truy nhập thẻ bài: • Chuẩn IEEE 802.5 còn gọi là chuẩn Token Ring. • FDDI là chuẩn sợi quang 100Mpb sử dụng phương pháp chuyển thẻ bài và vòng tròn. Phương pháp chuyển thẻ bài thích hợp trong các điều kiện như sau: • Khi mạng đang tải dữ liệu quan trọng về thời gian do phương pháp này cung cấp khả năng bàn giao. • Khi mạng được sử dụng nhiều, do tránh được xung đột. • Khi một vài trạm có mức ưu tiên cao hơn so với các trạm khác. Phương pháp chuyển thẻ bài có thể áp dụng các mức ưu tiên cho trạm để ngăn cấm một trạm bất kỳ không được độc quyền về mạng. • Do thẻ bài luân chuyển quanh mạng nên mỗi mạng có thể truyền theo quãng thời gian tối thiểu. Phương pháp chuyển thẻ bài đòi hỏi cơ chế điều khiển phức tạp và chi phí đầu tư phần cứng cao, nhưng được thiết kế với độ tin cậy cao. Tuy vậy hiện nay Ethernet vẫn là chuẩn LAN thông dụng, chứng tỏ được ưu điểm của phương pháp tranh chấp khi sử dụng trên các mạng LAN. Giao thức truyền Token có trật tự hơn nhưng cũng phức tạp hơn CSMA/CD, có ưu điểm là vẫn hoạt động tốt khi lưu lượng truyền thông lớn. Giao thức truyền Token tuân thủ đúng sự phân chia của môi trường mạng, hoạt động dựa vào việc xoay vòng bị đứt đoạn. Giao thức phải chứa thủ tục kiểm tra Token để cho phép khôi phục lại oken bị mất hoặc thay thế trạng thái của Token và cung cấp các phương tiện để sửa đổi logic (thêm vào, bớt đi hoặc định lại trật tựu của các trạm) Khung tin cực đại 16KB ở chế độ truyền 16Mps và 4KB ở chế độ truyền 4Mps. Dạng bản tin mạng Token Ring: Phương pháp điều khiển truy nhập dò báo Dò báo (polling) là một phương pháp điều khiển truy cập sử dụng một thiết bị trung tâm điều khiển toàn bộ việc truy nhập mạng. Đây là phương pháp được sử dụng phổ dụng nhất trên các mạng máy tính lớn. Trang 37
39. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Thiết bị trung tâm có tên là thiết bị chính sẽ yêu cầu dữ liệu từ các thiết bị khác trên mạng có tên là thiết bị thứ cấp (secondary). Sau khi được dò báo thiết bị thứ cấp có thể truyền một dữ liệu được xác định bởi các giao thức dùng trên mạng. Một thiết bị thứ cấp không thể truyền trừ khi nó được thiết bị chính dò báo. Phương pháp dò báo có nhiều ưu điểm của phương pháp chuyển thẻ bài như: • Dự đoán được các lần truy cập định sẵn. • Gán được các mức ưu tiên, tránh được va chạm. So sánh phương pháp dò báo và phương pháp chuyển thẻ bài : kỹ thuật dò báo tập trung hóa quyền điều khiển. Nhìn dưới góc độ quản lý thì đây là một ưu điểm, nhưng nếu cơ chế điều khiển trung tâm bị hỏng, mạng sẽ ngừng hoạt động. Phương pháp chuyển thẻ bài sử dụng các chức năng điều khiển phân phối hơn do đó ít bị hỏng tập trung tại một điểm. Bên cạnh đó, phương pháp dò báo đôi khi lãng phí các lượng băng thông lớn do phải dò báo từng thiết bị thứ cấp, cho dù các thiết bị không có gì để truyền. III.4. Khái niệm mạng LAN III.4.1. Các cấu trúc của mạng LAN Cấu trúc (topology) của mạng là cấu trúc hình học không gian, thực chất là cách bố trí phần tử của mạng cũng như cách thức nối giữa chúng với nhau. Thông thường có 3 dạng cấu trúc là: mạng dạng hình sao (Star topology), mạng dạng vòng (Ring topology) và mạng dạng tuyến (Bus topology). Ngoài ra còn có một số dạng biển thể khác như mạng dạng cây, mạng hỗn hợp, sao mở rộng, 1. Mạng dạng hình sao (Star topology) Mạng dạng hình sao bao gồm một trung tâm và các nút thông tin. Các nút thông tin là các trạm đầu cuối, các máy tính và các thiết bị khác của mạng. Trung tâm của mạng điều phối mọi hoạt động trong mạng với chức năng cơ bản là: • Xác định cặp địa chỉ gửi và nhận được phép chiếm tuyến thông tin và liên lạc với nhau. • Cho phép theo dõi và xử lý sai trong quá trình trao đổi thông tin. • Thông báo các trạng thái của mạng. Ưu điểm: • Hoạt động theo nguyên lý nối song song nên nếu có một thiết bị nào đó ở một nút thông tin bị hỏng thì mạng vẫn hoạt động bình thường. • Cấu trúc mạng đơn giản và các thuật toán điều khiển ổn định. • Mạng có thể mở rộng hoặc thu hẹp tùy theo yêu cầu người sử dụng. Trang 38
40. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Nhược điểm: • Khả năng mở rộng mạng phụ thuộc hoàn toàn vào khả năng của trung tâm. Khi trung tâm có sự cố thì mạng ngừng hoạt động. • Mạng yêu cầu kết nối độc lập riêng lẻ từng thiết bị ở các nút thông tin đến trung tâm. Khoảng cách từ máy đến trung tâm hạn chế (thường 100 m). Thông thường, mạng hình sao cho phép nối các máy tính vào một bộ tập trung (HUB) bằng cắp xoắn, giải pháp này cho phép nối trực tiếp nhiều máy tính với HUB không cần qua trục BUS, tránh được các yếu tố gây nghẽn mạng. Cùng với sự phát triển của Switch, mà hình này ngày càng trở nên phổ biến. Hình III-9. Một số cấu trúc chính của mạng LAN 2. Mạng dạng tuyến (Bus topology) Trong mạng hình bus, các máy tính và nút mạng sẽ đều được nối về với nhau trên một trục đường dây cáp chính để chuyển tải tín hiệu.Tất cả các nút đều sử dụng chung đường dây cáp chính này. Phía hai đầu dây cáp được bịt bởi một thiết bị gọi là terminator. Các tín hiệu và dữ liệu khi di chuyển lên và xuống trong dây cáp đều mang theo địa chỉ nơi đến. Loại mạng này dùng ít dây cáp nhất, dễ lắp đặt. Tuy vậy cũng có những bất lợi khi sẽ có sự ùn tắc khi dữ liệu di chuyển với lưu lượng lớn và khi có sự hỉng hóc ở đoạn nào đó thì rất khó phát hiện. Hư hỏng trên đường dây chính sẽ ngừng toàn bộ hệ thống. 3. Mạng dạng vòng (Ring topology) Mạng được bố trí theo dạng vòng tròn, đường dây cáp được thiết kế làm thành một vòng khép kín, tín hiệu chạy quanh theo một chiều nào đó. Các nút Trang 39
41. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh truyền tín hiệu cho nhau mỗi thời điểm chỉ được một nút mà thôi. Dữ liệu truyền đi phải kèm theo địa chỉ cụ thể của trạm tiếp nhận. Mạng Token Ring có thể chạy ở tốc độ 4Mbps hoặc 16 Mbps. Phương pháp truy cập dùng trong mạng Token Ring gọi là Toking passing.Token passing là phương pháp truy cập xác định, trong đó các xung đột được ngăn ngừa bằng cách ở mỗi thời điểm chỉ có một trạm có thể truyền dữ liệu. Điều này được thực hiện bằng việc truyền một tín hiệu đặc biệt gọi là Token xoay vòng từ trạm này qua trạm khác. Mỗi trạm chỉ có thể gửi dữ liệu khi nó nhận được Token. Mạng dạng vòng có thuận lợi là có thể nới rộng ra xa, tổng đường dây cần thiết ít hơn so với hai kiểu trên. Nhược điểm điểm là đường dây phải khép kín, nếu bị ngắt ở một nơi nào đó thì toàn bộ hệ thống cũng bị ngừng. III.4.2. Các chuẩn mạng LAN Các chuẩn LAN là các tiêu chuẩn công nghệ cho LAN được phê chuẩn bởi các tổ chức chuẩn hóa quốc tế, nhằm hướng dẫn các nhà sản xuất thiết bị mạng đi đến sự thống nhất chung khả năng sử dụng chung các sản phẩm của họ, vì lợi ích của người sử dụng và tạo điều kiện thuận lợi cho các nghiên cứu phát triển. Các chuẩn quy định môi trường truyền dẫn cũng như cách thức sử dụng chúng trong kết nối LAN: các giao thức truyền thông ở các tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu của mạng theo mô hình OSI. Các giao thức truyền thông ở các tầng trên mô hình OSI hiện tại được xác định qua một số giao thức phổ biến như TCP/IP, IPX/SPX, NetBIOS Ủy ban IEEE phát triển tiêu chuẩn IEEE LAN và đề xuất phân chia hai tầng thấp nhất của mô hình OSI như dưới đây: Theo chuẩn 802 thì tầng LKDL được chia thành hai tần: • Tầng con điều chỉnh logic LLC(Logical Link Control Sub-layer) : giữ vai trò tổ chức dữ liệu, tổ chức thông tin để truyền và nhận. Thủ tục tầng LLC không bị ảnh hưởng khi sử dụng các đưòng truyền dẫn khác nhau, nhờ vậy mà linh hoạt hơn trong khai thác. • Tầng con điều khiển xâm nhập mạng MAC (Media Access Control Sub- layer), làm nhiệm vụ điều khiển truy cập mạng. Trang 40
42. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình III-10. Các tầng LLC và MAC. Chuẩn 802.2 ở mức con LLC tương đương với chuẩn HDLC của ISO hoặc X.25 của CCITT. Chuẩn 802.3 xác định phương pháp truy cập mạng tức thời có khả năng phát hiện lỗi chồng chéo thông tin CSMA/CD. Phương pháp CSMA/CD được đưa ra từ năm 1993 nhắm mục đích nâng cao hiệu quả mạng. Theo chuẩn này các mức được ghép nối với nhau thông qua các bộ ghép nối. Chuẩn IEEE 802.3 dùng cho mạng Ethernet ( sử dụng giao thức truy nhập CSMA/CD) bao gồm cả hai phiên bản băng tần cơ bản và băng tần mở rộng. Chuẩn IEEE 802.4 liên quan đến sự sắp xếp tuyến token, thực chất là phương pháp truy cập mạng theo kiểu phát tín hiệu thăm dò token qua các trạm và đưòng truyền bus. Chuẩn IEEE 802.5 dùng cho mạng dạng vòng và trên cơ sở dùng tín hiệu thăm dò token. Mỗi trạm khi nhận được tín hiệu thăm dò token thì tiếp nhận token và bắt đầu quá trình truyền thông tin dưới dạng các frame. Các frame có cấu trúc tương tự như của chuẩn 802.4. Phương pháp truy cập mạng này quy định nhiều mức ưu tiên khác nhau cho toàn mạng và cho mỗi trạm, việc quy định này vừa do người thiết kế vừa do người sử dụng quy định. Chuẩn IEEE 802.11 dùng cho mạng không dây (Wireless) 1. Chuẩn Ethernet Đây là kỹ thuật mạng cục bộ thành công nhất những năm gần đây và sử dụng công nghệ CSMA/CD(Carrier Sence, Multiple Access With Collision Detect) Ethernet là một mạng đa truy xuất, các nút gửi và nhận khung qua một liên kết chia sẻ.Digital Equipment Corporation và Intel Corporation kết hợp với Xerox định nghĩa chuẩn Ethernet vào năm 1978. Chuẩn này sau đó được xây dựng thành Trang 41
43. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh chuẩn 802.3 IEEE(chuẩn năm 1978 là con của chuẩn này). 802.3 xây dựng thêm nhiều chức năng mới. Gần đây, nó đã có phiên bản 100 Mbps được gọi là Fast Ethernet và 1000 Mbps gọi là Giagabit Ethernet. Hình III-11. Cấu trúc Ethernet dạng bus. Thuật toán kiểm soát truy xuất đường truyền chia sẻ trong Ethernet gọi là Ethernet's Media Accsess Control. Nó đặc thù được thi hành trên phần cứng của card mạng. Định dạng khung cơ bản: Hình III-12. Định dạng khung Ethernet • 64 bit Preamble (một chuỗi thay đổi giữa 0 và 1) cho phép máy nhận đồng bộ tín hiệu với máy gửi. • Cả máy nguồn và máy đích đều có 48 bit địa chỉ. • Trường Type chứa khoá để thực hiện phân kênh(ở các giao thức mức cao). • Mỗi khung chứa tối đa 1500 byte và tối thiểu 46 byte dữ liệu (nếu thiếu các host phải đệm dữ liệu thêm vào trước khi truyền, lý do là khung phải đủ lớn để giúp phát hiện xung đột). • FCS-Frame Check Sequence: Sử dụng 32 bit CRC kiểm tra lỗi. • Các khung trong Ethernet truyền theo kiểu Bit-Oriented. Trang 42
44. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Ethernet có 14 byte header. • Card mạng tại các máy gữi sẽ gắn Preamble, CRC trước khi truyền và ngược lại, nó sẽ được loại bỏ tại card mạng của máy nhận. Thuật toán truyền Ý tưởng: Lúc một card giao tiếp mạng có một khung để gởi và liên kết rãnh, nó truyền khung ngay lập tức, không có sự điều đình với các card giao tiếp mạng khác. Giới hạn kích thước 1500 byte có nghĩa rằng card giao tiếp mạng chỉ có thể chiếm giữ đường dây trong một khoảng thời gian cố định. Lúc một card giao tiếp mạng có một khung để gởi và liên kết bận, nó đợi cho tới khi đường dây rãnh và truyền ngay lập tức khi liên kết trở nên rảnh. Chúng được gọi là giao thức 1-persistent vì một card giao tiếp mạng với 1 khung để gửi sẽ truyền với xác suất 1 bất kỳ lúc nào đường dây trở nên rãnh. Tổng quát, thuật toán truyền p-persistent với xác suất 0 <= p <=1 sau khi đường dây rãnh và khả năng trì hoãn với xác suất q = 1-p, lý do chọn p < 1 là do có thể nhiều adapter đợi đường dây rãnh và chúng ta không muốn tất cả chúng cùng truyền một lúc. Nếu một adaptor truyền ngay với một xác suất 33%(giả sử) tức là 3 adapter đợi để truyền. Mặc dù với lý do trên, trong thực tế một adapter luôn truyền ngay lập tức sau khi liên kết rãnh và thật sự rất hiệu quả khi thực hiện cách này. Nếu cả hai cùng truyền một lúc thì gọi là hiện tượng xung đột. Vì Ethernet hổ trợ phát hiện xung đột, nên mỗi máy gửi đều có thể phát hiện xung đột trong quá trình truyền của mình, khi phát hiện xung đột nó đầu tiên truyền 32 bit jamming tuần tự và dừng việc truyền. Thật sự nó là 64 bit, 32 bit premble + 32 bit jamming 2. Token Ring Cùng với Ethernet, Token Ring là một lớp quan trọng khác của mạng chia xẻ liên kết. Tuy nhiên, có nhiều vấn đề khó khăn trong Token Ring hơn là trong Ethernet. Trước đây Token Ring định nghĩa bởi chuẩn IBM's Token Ring. Gần đây 802.5 là chuẩn định nghĩa bởi IEEE. Nhưng hầu hết các nguyên tắc tổng quát của Token Ring đểu tương tự nhau giữa IBM và 802.5. Tuy nhiên chuẩn FDDI (Fiber Distributed Data Interface) là chuẩn mới nhất và nhanh nhất hiện nay. Mạng Token Ring bao gồm một tập các nút nối trong một vòng. Dữ liệu luôn truyền theo hướng xác định vòng quanh vòng, mỗi nút nhận khung từ hàng xóm trên của nó và gửi chúng xuống hàng xóm bên dưới nó. Sơ đồ nối kết của Ring hoàn toàn trái ngược với sơ đồ nối kết Ethernet. Các nút tham gia nối kết trong mạng Token Ring chia sẽ chung một đường truyền vật lý. Trang 43
45. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Token Ring chia sẽ hai đặc trưng của Ethernet: • Yêu cầu một thuật toán phân phối để điều khiển lúc một nút được phép truyền. • Tất cả các nút trên vòng đều nhìn thấy các khung, mỗi nút xem xét địa chỉ trong header của khung và lưu lại một bảng sao của các khung khi các khung này đi qua nó. Hình III-13.Mạng Token Ring "Token" dùng để chỉ phương pháp truy xuất chia sẻ đường truyền. Nó thật sự chỉ là một chuỗi các bit đặc biệt, đi vòng quanh vòng. Mỗi nút trên vòng nhận và chuyển token. Khi một nút có dữ liệu cần truyền nhìn thấy token, nó chộp lấy token và chèn một khung vào trong vòng. Các nút còn lại trên vòng đơn giản chỉ chuyển khung này. Trước khi truyền dữ liệu các nút sẽ lưu trữ một bảng sao của khung sẽ truyền và sau đó sẽ chuyển khung này đến nút kế tiếp trong vòng. Lúc khung quay lại máy gửi, nút này nhận lại khung đó và trả lại token cho vòng. Giao thức điều khiển truy xuất đường truyền(MAC protocol) Card mạng cho một nút trong Token Ring chứa một receiver, một tranceiver, buffer. Khi không có trạm nào truyền dữ liệu token đi vòng quanh vòng. Do đó, mỗi nút trên vòng phải có khả năng lưu trữ toàn bộ Token. Ví dụ token của 802.5 là 24 bit chiều dài. Khi một token đi vòng quanh vòng, bất kỳ trạm nào có dữ liệu đều có thể chộp lấy token, giữ nó lại và bắt đầu gởi dữ liệu. Trong mạng 802.5, sự chộp lấy bằng cách chỉ thay đổi một bit trong byte thứ hai của token, 2 byte đầu tiên của Trang 44
46. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh token được thay đổi bây giờ trở thành gói mang "lời chào hỏi". Khi một trạm có token nó có thể thực hiện gởi một hay nhiều gói. Mỗi gói được truyền chứa địa chỉ của máy nhận. Mỗi nút cũng có thể truyền gói theo multicast hay broadcast. Khi mỗi gói đi qua mỗi nút, mỗi nút xem xét địa chỉ bên trong gói. Nếu là gói truyền đến nó, trạm này sẽ chép một bản sao vào trong buffer của nó khi gói đi qua card mạng, nhưng không di chuyển gói này ra khỏi vòng. Máy gửi có nhiệm vụ di chuyển gói ra khỏi vòng. Một vấn đề cần giải quyết là bao nhiêu dữ liệu mà một nút được cho phép truyền mỗi lần nó có token, thời gian này được gọi là THT(token holding time). Nếu chúng ta cho rằng hầu hết các nút không có dữ liệu thì không hợp lý. THT được đặt cố định, nhưng thật vô lý trong trường hợp một nút bị giới hạn gửi chỉ một thông điệp và bắt buột phải đợi cho tới khi token đi quanh một vòng trước khi có cơ hội truyền tiếp. Cách dễ dàng là một nút có thể gửi nhiều byte mỗi lần lúc nó token, điều này rất tốt khi nhận biết được trên vòng chỉ có một nút cần gửi dữ liệu, nhưng khả năng này không làm việc tốt lúc nhiều nút có dữ liệu gửi. Trong mạng 802.5 THT quy định là 10ms. Do đó các nút phải khéo léo khi sử dụng THT, trước khi đặt mỗi gói vào trong vòng, mỗi trạm phải kiểm tra khoảng thời gian dùng để truyền gói sẽ không vượt quá THT. 802.5 cung cấp một các thức thức truyền tin cậy, sử dụng 2 bit cuối gói, bit A và C được khởi tạo là 0. Lúc một trạm thấy một khung mà nó muốn nhận nó set bit A trong khung. Khi nó chép khung vào trong adaptor, nó set bit C, nếu máy gửi nhìn thấy khung quay trở lại với bit A vẫn là 0 thì nó sẽ biết không có máy nhận. Nếu bit A được đặt nhưng bit C thì không lý do là máy nhận không chấp nhận khung 3. FDDI FDDI (Fiber Distributed Data Interface) thì tương tự IBM và 802.5, tuy nhiên nó có một số điểm khác nhau bởi vì nó chạy trên cáp quang và nó thực hiện một số cách tân. Đặc điểm vật lý Nó bao gồm một vòng đôi, hai vòng truyền dữ liệu theo hai hướng ngược nhau, vòng thứ hai sẽ không được sử dụng nhưng nó sẽ trở nên hoạt động nếu vòng sơ cấp bị hỏng. Mạng FDDI vẫn hoạt động khi một đường cáp hay một trạm bị hỏng. Bởi vì sự phí tổn của cấu hình vòng đôi. FDDI cho phép nút gắn vào mạng chỉ bởi một cáp đơn. Nó được gọi single attachment stations(SAS), kết nối đôi được gọi là Dual Attachment Stations. Trang 45
47. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình III-14. Mô hình mạng FDDI Một thiết bị tập trung được sử dụng để gắn SAS vào vòng(sử dụng hai đường cáp đơn). FDDI là một mạng 100 Mbps. Giới hạn chuẩn 500 station. Giới hạn chuẩn khoảng các là 2km giữa bất kỳ 2 trạm nào. Toàn bộ mạng giới hạn 200 km của cáp quang, do vòng đôi nên nó tổng cộng chiếu dài chỉ là 100km. Nó có thể chạy qua các môi trường vật lý khác nhau như cáp đồng trục hay cáp xoắn đôi. FDDI sử dụng mã hoá 4B/5B. Thuật toán Time-Token THT của mỗi nút được xác định trước và gán ở một giá trị cố định. Thêm vào đó, để đảm bảo mỗi nút có cơ hội truyền trong một khoảng thời gian nào đó, ta đặt giới hạn trên của TRT(token ratation time) cho tất cả nút, gọi là target TRT và tất cả các nút đều chấp nhận thời gian TTRT này. Mỗi nút đo thời gian bởi sự di chuyển thành công của token. Ta goị là "Measured TRT". If mesured-TRT > TTRT: token đến trễ và nút không truyền dữ liệu. If mesured-TRT < TTRT: token đến sớm và nút được cho phép giữ token để truyền. Có hai lớp truyền: đồng bộ và không đồng bộ. Lúc một nút có token nó được phép gởi dữ liệu đồng bộ, không cần quan tâm token đến sớm hay trễ (gởi âm thanh hay video). Ngược lại nó chỉ có thể gửi khi token đến sớm (các ứng dụng file). Nó sử dụng một bit để phân biệt đồng bộ và không đồng bộ. Trang 46
48. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh III.5. Địa chỉ vật lý (MAC address) Mỗi host trên một Ethernet chỉ có một địa chỉ duy nhất có chiều dài 48 bit. Điạ chỉ này được lưu trữ trên card mạng và có thể đọc tuần tự 6 số phân cách nhau bởi dấu ":"Để đảm bảo mỗi host có một địa chỉ duy nhất mỗi nhà sản xuất thiết bị Ethernet bị bắt buộc gán một mã trên các card mạng mà họ sản xuất. Mỗi khung truyền trên Ethernet được nhận bởi tất cả các adapter nối đến Ethernet đó (kiểm tra địa chỉ để nhận hay không nhận). Ngoài địa chỉ unicast, một địa chỉ bao gồm tất cả các bit 1 được xem là địa chỉ broadcast. Địa chỉ có bit đầu tiên là 1 nhưng không phải là broadcast thì được xem là multicast (một host có thể được lập trình trên adapter đó để có thể chấp nhận một vài địa chỉ multicast). Tóm lại, một card giao tiếp mạng nhận tất cả khung và chỉ chấp nhận khung khi trên header của khung đó chứa địa chỉ của nó, địa chỉ multicast, địa chỉ broadcast, hay một khung vô tình. III.6. Một số công nghệ tầng liên kết dữ liệu khác III.6.1. Mạng không dây(Wireless Network) Mạng không dây là một kỹ thuật gần đây phát triển mạnh. Các máy tính bên trong một toà nhà có thể sử dụng tia hồng ngoại để liên lạc với nhau hay người ta còn sử dụng sóng viba để xây dựng một mạng rộng lớn từ một lưới điều khiển của một số vệ tinh quỹ đạo thấp. 802.11 được thiết kế để sử dụng trong một khu vực điạ lí giới hạn. 802.11 sử dụng 3 dạng đường truyền vật lý khác nhau: • Sử dụng sóng vô tuyến • Sử dụng sóng viba • Sử dụng tia hồng ngoại. Sóng vô tuyến được lan truyền qua một tần số rộng hơn bình thường, nhằm giảm tối thiểu tác động ảnh hưởng từ các thiết bị khác. Frequency hopping là một kỹ thuật sóng vô tuyến thực hiện truyền tín hiệu qua một dãy các tần số ngẫu nhiên, đầu tiên nó truyền ở tần số 1, rồi 2, rồi 3, nhưng dãy các tần số này thì không thật sự ngẫu nhiên, nó dùng thuật toán tạo ra số ngẫu nhiên giả. Các máy nhận sử dụng cùng thuật toán như là máy gửi và vì vậy hai máy có thể đồng bộ và truyền dữ liệu với nhau. Lan truyền trực tiếp (direct sequence): mỗi bit trong khung truyền được thể hiện bởi nhiều bit trong tín hiệu truyền. Với mỗi bit muốn truyền máy gửi thực hiện phép XOR chuổi bit đó với một chuổi bit ngẫu nhiên. Trang 47
49. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Kỹ thuật truyền tia hồng ngoại truyền dựa trên sự khuyếch tán. Và thường nằm trong cự ly khoảng 10m và giới hạn bên trong một toà nhà. Hình III-15. Ví dụ mạng không dây Quản lý xung đột Cách thức truyền của mạng không dây tương tự cách thức truyền của Ethernet. Một nút sẽ đợi cho đến khi liên kết rãnh trước khi truyền và nếu hai nút cùng truyền một lúc xung đột sẽ xuất hiện. Vấn đề xung đột trong mạng không dây phức tạp bởi vì không phải tất cả các nút luôn luôn ở trong phạm vi truyền của các nút khác. Thuật toán Multiple Access with Collision Avoidance (MACA) Máy gửi và máy nhận trao đổi các khung điều khiển với nhau trước khi máy gửi thực hiện truyền dữ liệu. Máy gửi truyền một khung Request to Send (RTS) đến máy nhận, khung RTS bao gồm một trường chỉ ra thời gian nó muốn chiếm giữ đường truyền (chiều dài của khung được truyền). Máy nhận đáp lại với khung Clear to Send(CTS), khung này đáp lại trường chiều dài của máy gửi, bất kỳ nút mà nó nhận thấy khung CTS thì nó biết nó không thể liên lạc với máy nhận, vì vậy nó không thể truyền trong khoảng thời gian này. Bất kỳ nút mà nó nhìn thấy khung, nhưng không thấy khung CTS thì nó có thể tự do liên lạc với máy nhận. Trang 48
50. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hai vấn đề quan trọng trong mạng không dây • Máy nhận gởi một ACK đến máy gửi thông báo thành công sau khi nhận khung, tất cả các nút phải đợi ACK trước khi truyền tiếp. • Có hai hay nhiều nút nhận thấy liên kết trống và vì vậy sẽ truyền khung ở cùng một lúc, do đó các khung sẽ xung đột với nhau, 802.11 không hỗ trợ phát hiện xung đột nhưng nó sẽ phát hiện xung đột khi nó không nhận được khung CTS sau một khoảng thời gian nào đó. Trong trường hợp này chúng sẽ đợi một khoảng thời gian ngẫu nhiên trước khi truyền lại nó. Hệ thống phân phối (Distribution System) 802.11 là một hệ thống phù hợp cho một mạng có cấu hình các nút đặc biệt, một nút trong mạng có thể bị giới hạn thông tin với một hay tất cả các nút khác trên mạng. Hơn nữa sự thuận lợi của mạng không dây là các nút tự do di chuyển, chúng không bị ràng buộc bởi dây dẫn, một tập các nút có thể thay đổi bất kỳ thời gian nào. Các nút trong mạng không dây bên cạnh việc trao đổi thông tin tự do với các máy khác trong cùng một cấu trúc nó còn có thể trao đổi với các máy khác thông qua một thiết bị khác gọi là AP(Access Point). Thiết bị này sử dụng cáp để nối trực tiếp với một thiết bị gọi là distribution system. Các nút trong mạng có thể tự chọn riêng cho mình một AP. Kỹ thuật chọn 1 AP được gọi là scanning thực hiện qua 4 bước: • Gởi một khung thăm dò. • Tất cả các AP trong phạm vi của máy gửi đáp lại với một khung trả lời khung thăm dò. • Nút chọn một AP và gởi một khung giao thiệp. • AP đáp lại với một khung trả lời giao thiệp. • Các nút thực hiện cách này bất cứ lúc nào nó tham gia mạng, cũng như nó cảm thấy không cảm thấy "hạnh phúc" với AP hiện tại. • AP có thể gởi một khung thông báo khả năng truy xuất của mình (tỉ lệ truyền hổ trợ bởi AP). III.6.2. ATM Một công nghệ được quan tâm gần đây là ATM (Asychronous Tranfer Model). ATM là một công nghệ quan trọng trong những năm 1980 và đầu những năm 1990. ATM là tiếp cận theo dạng connection-oriented. Trong ATM giai đoạn thiết lập nối kết được gọi là signalling. Giao thức chính của ATM signalling là Q.2931. Ngoài khả năng tìm ra một đường đi xác định qua một mạng ATM, Q.2931 còn có nhiệm vụ cấp phát tài nguyên tại các chuyển mạch dọc kênh. Nó Trang 49
51. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh đảm bảo một chất lượng phục vụ của kênh. Thật vậy, khả năng QoS cuả ATM là một trong nhữnh khả năng mạnh mẽ nhất. Lúc một kênh ảo được thiết lập, nó cần thiết đặt địa chỉ nguồn trong thông điệp signalling. Trong ATM, địa chỉ có thể có ở một vài dạng, nhưng dạng chung nhất được sử dụng là E.164 và NSAP (Network Service Access Point), nó khác địa chỉ MAC sử dụng trong LAN. Một điều mà làm ATM thật sự khác thường là các gói trong một mạng ATM có chiều dài cố định. Chiều dài của chúng là 53 byte bao gồm 5 byte header và 48 byte trọng tải, để phân biệt giữa các gói có chiều dài thay đổi và cố định người ta đưa ra một tên đặc biệt goị là tế bào (cell). ATM là một ví dụ chuẩn của mạng tế bào. Hình III-16. Mạng ATM Cell Tất cả các công nghệ mạng mà chúng ta đã xem xét trước đây đều sử dụng các gói có chiều dài thay đổi. Gói có chiều dài thay đổi thì trói buột bên trong một vài giới hạn: • Giới hạn thấp nhất: số lượng thông tin nhỏ nhất mà một gói có thể chứa mà một header không được tuỳ ý mở rộng. Trang 50
52. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Giới hạn cao nhất: được đặt bởi nhiều yếu tố, ví dụ kích thước gói lớn nhất trong mạng FDDI xác định bao lâu mỗi trạm cho phép truyền mà không trả lại token và thật vậy nó xác định bao lâu mỗi trạm phải đợi cho token đến. Cell, ngược lại giới hạn trên và dưới là cố định. Kích thước cell Gói có chiều dài thay đổi có một vài đặc trưng quan trọng: • Nếu ta chỉ có một byte gửi, ta đặt nó trong gói có kích thước nhỏ nhất. • Nếu chúng ta có một file lớn để gửi ta phân nó ra thành nhiều gói có kích thước lớn nhất để gửi. Ta không cần thêm bất cứ thông tin gì trong trường hợp đầu, trong trường hợp thứ hai nó gia tăng hiệu quả băng truyền. Chúng ta cũng có thể giảm tối thiểu tổng số gói gửi bằng cách giảm tổng cộng hoạt động xử lý trên gói, điều này rất quan trọng trong một mạng có thông lượng cao bởi vì nhiều thiết bị mạng không giới hạn bao nhiêu bit trên 1 giây mà chúng có thể xử lý hơn là giới hạn số gói trên một giây mà chúng có thể xử lý. Vậy tại sao phải sử dụng cell. Một lý do chính là nó thuận tiện được thi hành của phần cứng mạng. Bởi vì trong mạng điện thoại mỗi mạng điện thoại thường phục vụ 10.000 khách hàng, chiều dài cố định thì rất hữu ích nếu chúng ta muốn xây dựng các mạng nhanh, có tính khả mở. Có hai lý do: • Xây dựng phần cứng là một nhiệm vụ dễ dàng, và nhiệm vụ xử lý mỗi gói thì dễ dàng khi biết chiều dài thật sự của chúng. • Nếu tất cả các gói có cùng chiều dài, ta có thể có nhiều chuyển mạch. Tất cả chúng cùng làm một nhiệm vụ(xử lý song song). Một đặc điểm quan trọng của truyền tế bào liên quan đến tổ chức hàng đợi. Khi ta lấy một gói từ hàng đợi và bắt đầu truyền nó, ta tiếp tục thực hiện thao tác này cho đến khi toàn bộ gói được truyền. Ví dụ, một mạng với một gói thay đổi, kích thước gói lớn nhất là 4KB và tốc độ truyền là 100Mbps, thời gian để truyền gói có kích thước lớn nhất là 327.69 micro giây, thật vậy một gói ưu tiên cao đến chỉ sau khi gói có kích thước lớn nhất được truyền sẽ ngồi đợi 327.68 micro giây để truy xuất liên kết, ngược lại nếu chuyển một cell 53 byte thời gian lâu nhất nó đợi là 4.24s điều này dường như không đáng kể nhưng nó dẫn đến tình trạng “bồn chồn” cho một số ứng dụng. III.6.3. X25 Được CCITT công bố lần đầu tiên vào 1970 lúc lĩnh vực viễn thông lần đầu tiên tham gia vào thế giới truyền dữ liệu với các đặc tính: Trang 51
53. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • X25 cung cấp quy trình kiểm soát luồng giữa các đầu cuối đem lại chất lương đường truyền cao cho dù chất lương đương dây truyền không cao. • X25 được thiết kế cho cả truyền thông chuyển mạch lẫn truyền thông kiểu điễm nối điểm. • Được quan tâm và tham gia nhanh chóng trên toàn cầu. Trong X25 có chức năng dồn kênh (multiplexing) đối với liên kết logic (virtual circuits) chỉ làm nhiệm vụ kiểm soát lỗi cho các frame đi qua. Điều này làm tăng độ phức tạp trong việc phối hợp các thủ tục giữa hai tầng kề nhau, dẫn đến thông lượng bị hạn chế do tổng phí xử lý mỗi gói tin tăng lên. X25 kiểm tra lỗi tại mỗi nút trước khi truyền tiếp, điều này làm cho đường truyền có chất lượng rất cao gần như phi lỗi. Tuy nhiên do vậy khối lượng tích toán tại mỗi nút khá lớn, đối với những đường truyền của những năm 1970 thì điều đó là cần thiết nhưng hiện nay khi kỹ thuật truyền dẫn đã đạt được những tiến bộ rất cao thì việc đó trở nên lãng phí. III.6.4. Frame Relay Mỗi gói tin trong mạng gọi là Frame, do vậy mạng gọi là Frame relay. Đặc điểm khác biệt giữa mạng Frame Relay và mạng X25 mạng Frame Relay là chỉ kiểm tra lỗi tại hai trạm gửi và trạm nhận còn trong quá trình chuyển vận qua các nút trung gian gói tin sẽ không được kiểm lỗi nữa. Do vậy thời gian xử lý trên mỗi nút nhanh hơn, tuy nhiên khi có lỗi thì gói tin phải được phát lại từ trạm đầu. Với độ an toàn cao của đường truyền hiện nay thì chi phí việc phát lại đó chỉ chiếm một tỷ lệ nhỏ nếu so với khối lượng tính toán được giảm đi tại các nút nên mạng Frame Relay tiết kiệm được tài nguyên của mạng hơn so với mạng X25. Frame relay không chỉ là một kỹ thuật mà còn là thể hiện một phương pháp tổ chức mới. Với nguyên lý là truyền mạch gói nhưng các thao tác kiểm soát giữa các đầu cuối giảm đáng kể. Kỹ thuật Frame Relay cho phép thông luợng tối đa đạt tới 2Mbps và hiện nay nó đang cung cấp các giải pháp để tương nối các mạng cục bộ LAN trong một kiến trúc xương sống tạo nên môi trường cho ứng dụng multimedia. Trang 52
54. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Chương IV. Giao thức tầng mạng IV.1. Chức năng của tầng mạng IV.1.1. Chức năng Tầng mạng (Network layer) đảm bảo truyền tin thông suốt giữa hai nút đầu cuối trong mạng. Truyền các gói tin (packets) từ nơi gửi (sending host) tới nơi nhận (receiving host). Tầng mạng được cài đặt tại router và cả end system. Chức năng chính: • Chọn đường (path selection): có nhiều đường đi, gói tin sẽ đi theo đường nào? • Chuyển mạch (switching, forwarding): chuyển gói tin từ cổng vào tới cổng ra của router một cách thích hợp. • Thiết lập liên kết (call setup): một số kiến trúc mạng cần thiết lập kênh truyền trước khi truyền. Hình IV-1. Tầng mạng IV.1.2. Dịch vụ cung cấp cho tầng giao vận • Các dịch vụ phải độc lập với công nghệ được dùng trong mạng. • Tầng giao vận phải độc lập với công nghệ được dùng trong mạng. Trang 53
55. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Các địa chỉ mạng phải thống nhất để tầng iao vận có thể dùng cả mạng LAN và WAN Có hai loại dịch vụ: ƒ Dịch vụ truyền tin liên kết (Connection Oriented Service) ƒ Dich vụ truyền tin không liên kết (Connectionless Service) Sự khác nhau giữa hai dịch vụ: Vấn đề Dịch vụ có liên kết Dịch vụ không liên kết Khởi động kênh Cần thiết Không Địa chỉ đích Chỉ cần lúc khởi động Cần ở mọi gói tin Thứ tự gói tin Được đảm bảo Không đảm bảo Kiểm soát lỗi Ở tầng mạng Ở tầng giao vận Điều khiển thông lượng Ở tầng mạng Ở tầng giao vận Thỏa thuận tham số Có Không Nhận dạng liên kết Có Không IV.1.3. Tổ chức các kênh truyền tin trong mạng 1. Kênh ảo (Virtual Circuit): Tương đương kênh điện thoại trong tầng vật lý sử dụng trong mạng có liên kêt. Kênh ảo được thiết lập cho mỗi liên kết. Một khi đã được thiết lập thì các gói tin được chuyển đi tương tự trong mạng điện thoại cho đến khi liên kết bị hủy bỏ. • Mỗi nút mạng chứa một kênh ảo. • Khi một liên kết được khởi động một kênh ảo chưa dùng sẽ được chọn. • Nút chọn kênh ảo chứa đường dẫn đến trạm tiếp theo và có số thấp nhất. Khi gói tin khởi động đến nút đích, nút chọn kênh ảo có số thấp nhất thay thế số trong gói tin và chuyển vào trạm đích. Số kênh ảo nối với trạm đích có thể khác số kênh ảo mà trạm nguồn sử dụng. 2. Mạng Datagram: Tương đương với điện báo sử dụng trong mạng không liên kết. Trong mạng này không có tuyến đường nào được thiết lập. Các gói tin có thể đi theo nhiều đường khác nhau mà không nhất thiết theo một trình tự xác định. Thông tin vào là địa chỉ đích, thông tin ra là nút mạng phải tới. Mạng Datagram phức tạp về điều khiển nhưng nếu kênh hỏng thì dễ dàng chuyển sang kênh mới. Một số đặc trưng của mạng kênh ảo và datagram: Trang 54
56. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Vấn đề Mạng kênh ảo Mạng datagram Khởi động kênh Cần thiết Không Địa chỉ hóa Gói tin chỉ cần số kênh ào Gói tin phải có địa chỉ nguồn và địa chỉ đích Thông tin tìm đường Mỗi kênh ảo cần một vùng Không cần bất cứ thông tin trong bảng nào Tìm đường Được thiết lập khi khởi động Mỗi gói tin tìm đường độc kênh ảo mới. Liên kết sẽ lập.Phải tìm đường mỗi khi được duy trì cho cả phiên có gói tin đến nút mạng Điều khiển Kênh ảo qua nút hỏng sẽ bị Chỉ mất gói tin trong nút hủy hỏng Hỏng nút Dễ khắc phục Khó khắc phục Độ phức tạp Trong tầng mạng Trong tầng giao vận Thích hợp Các dịch vụ liên kết Các dịch vụ liên kết và không liên kết IV.1.4. Tìm đường đi (định tuyến) trong mạng Chức năng quan trọng nhất của tầng mạng là dẫn đường cho các gói tin từ trạm nguồn đến trạm đích. Thuật toán tìm đường là quy trình để quyết định chọn đường ra khỏi nút mạng nhằm gửi gói tin đi tiếp đến nút khác. Yêu cầu của thuật toán tìm đường: • Chính xác, ổn định, đơn giản và tối ưu. • Thuật toán tìm đường phải có khả năng cập nhật lại cấu hình và đường vận chuyển để không phải khởi động lại mạng khi có một nút hỏng hoặc phải ngừng hoạt động của các máy trạm. Các thuật toán chia làm hai nhóm: • Nhóm không thích nghi (non adaptive): việc chọn đường không dựa vào việc đánh gia tình trạng mạng và cấu hình trong thời gian thực. • Nhóm thích nghi (adaptive): việc tìm đường phải thích nghi với tình trạng mạng hiện tại. IV.1.5. Tắc nghẽn trong mạng Khi có quá nhiều gói tin trong mạng hoặc một phần của mạng làm cho hiệu suất của mạng giảm đi vì các nút mạng không đủ khả năng lưu trữ, xử lý, gửi đi và Trang 55
57. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh chúng bắt đầu bị mất các gói tin. Hiện tượng này gọi là sự tắc nghẽn (congestion) trong mạng. Hàng đợi sẽ bị đầy (phải lưu tập tin, các bảng định tuyến, ) nếu khả năng xử lý của nút yếu hay thông tin vào nhiều hơn khả năng của đường ra. Các biện pháp ngăn ngừa: • Bố trí khả năng vận chuyển, lưu trữ, xử lý của mạng dư so với yêu cầu. • Hủy bỏ các gói tin bị tắc nghẽn quá thời hạn. • Hạn chế số gói tin vào mạng nhờ cơ chế cửa sổ (flow control). • Chặn đường vào của các gói tin khi mạng quá tải. IV.2. Bộ định tuyến và các thiết bị kết nối mạng khác: IV.2.1. Bộ định tuyến (Router) Trong môi trường gồm nhiều mạng gắn kết với nhau bằng nhiều giao thức và kiến trúc mạng khác nhau, bộ chuyển mạch (cầu nối) không thể truyển thông nhanh trong tất cả các đoạn mạng. Mạng có độ phức tạp như vậy cần một thiết bị không những biết địa chỉ mạng mỗi đoạn mạng mà còn quyết định tuyến đường tốt nhất để truyền dữ liệu và lọc các lưu lượng quảng bá trên các đoạn mạng cục bộ. Thiết bị như vậy gọi là bộ định tuyến (Router). Hình IV-2. Router Chức năng bộ định tuyến: • Chuyển và định tuyến gói dữ liệu qua nhiều mạng dựa trên địa chỉ phân lớp mạng. • Phân chia mạng lớn thành nhiều mạng nhỏ và kết nối các đoạn mạng với nhau. • Lọc gói tin và giới hạn lưu lượng mạng, hoạt động như một rào cản an toàn giữa các đoạn mạng. • Ngăn chặn tình trạng quảng bá vì router không chuyển tiếp gói tin dạng quảng bá. Trang 56
58. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Các bộ định tuyến có thể chia sẻ thông tin trạng thái và thông tin định tuyến với nhau, sử dụng thông tin này để bỏ qua các kết nối hỏng hoặc chậm. Nguyên lý hoạt động: Trong bộ định tuyến có một bảng định tuyến chứa các địa chỉ mạng. Tuy nhiên địa chỉ mạng có thể được lưu trữ tùy vào giao thức mạng đang chạy. Bộ định tuyến dùng bảng định tuyến để xác định địa chỉ đích cho dữ liệu nhận được. Bảng này liệt kê các thông tin sau: • Địa chỉ mạng đã kết nối trực tiếp. • Cách kết nối tới những mạng khác. • Chi phí truyền dữ liệu qua các lộ trình đó. Khi router nhận được gói dữ liệu truyền tới mạng ở xa, nó kiểm tra bảng định tuyến và chọn đường đi tối ưu (có chi phí thấp nhât) để gửi gói dữ liệu đến đích. Hình IV-3. Kiến trúc Router trong mô hình OSI Truyền dữ liệu qua bộ định tuyến: Khi một trạm xác định cần gửi một gói dữ liệu tới một trạm trên một mạng khác. Công việc đầu tiên của trạm này là lấy địa chỉ vật lý của router (địa chỉ cổng kết nối ngầm định). Sau đó nó điền thông tin trong trường địa chỉ vật lý của gói dữ liệu bằng địa chỉ vậy lý của router và trường thông tin địa chỉ đích của tầng mạng (là địa chỉ IP nếu dùng TCP/IP) bằng địa chỉ của trạm đích. Khi router kiểm tra địa chỉ đích, nó xác định xem nó có biết cách hay không chuyển tiếp gói tin đến chặng tiếp theo (next hop) là router kế tiếp trên đường đi, bằng cách kiểm tra địa chỉ. Nếu địa chỉ mạng đích nằm trong gói dữ liệu không có trong bảng định tuyến, router sẽ bỏ gói dữ liệu trừ khi nó được cấu hình đường đi mặc định. Ngược lại nếu địa chỉ mạng đích có trong bảng định tuyến, router thay Trang 57
59. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh địa chỉ vật lý đích bằng địa chỉ vật lý của chặng tiếp theo và truyền gói dữ liệu đến đó. Như vậy, khi một gói tin truyền qua liên mạng, địa chỉ vật lý thay đổi nhưng địa chỉ của giao thức không đổi. IV.2.2. Bộ lặp (Repeater) Bộ lặp thực hiện chức năng ở tầng vật lý dùng để khuyếch đại tín hiệu khi tín hiệu đi xa. Bộ lặp được sử dụng để kết nối các đoạn mạng lại với nhau. Bộ lặp nhận tín hiệu từ một đoạn mạng, tái tạo lại và truyền tín hiệu này đến đoạn mạng khác. Nhờ có bộ lặp mà tín hiệu bị suy yếu do phải truyền qua một đoạn cáp dài có thể trở lại dạng ban đầu và truyền đi được xa hơn. Hình IV-4.Bộ lặp. Tất cả các tín hiệu điện, bao gồm nhiễu điện từ và các lỗi khác cũng được lặp và khuyếch đại. Để bộ lặp hoat động, cả hai đoạn mạng nối với bộ lặp phải sử dụng cùng một phương pháp truy cập đường truyền. Hình IV-5. Repeater trong mô hình OSI Trang 58
60. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh IV.2.3. Hub Hub là thiết bị liên kết mạng được sử dụng làm trung tâm trong cấu trúc mạng có dạng hình sao (star). Mạng sao dùng sự phân chia tín hiệu trong Hub để đưa các tín hiệu ra các đường cáp khác nhau. Có 3 loại Hub thường sử dụng trong mạng là • Hub chủ động: tái tạo và truyền tín hiệu giống như bộ lặp. Hub có nhiều cổng nên được gọi là bộ lặp đa cổng. Hub chủ động đưa các các tín hiệu mạnh hơn do đó cho phép đoạn cáp dài hơn. Đa phần các Hub là Hub chủ động. • Hub thụ đông: hoặc động như các điểm kết nối, không tái tạo hay khuyếch đại tín hiệu. • Hub lai: thích ứng với nhiều loại cáp khác nhau Hình IV-6.Hub IV.2.4. Cầu nối (Bridge) Cầu nối là thiết bị hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu, dùng để nối hai hay nhiều đoạn mạng (segment) của mạng LAN khác nhau. Chức năng của cầu nối: • Mở rộng khoảng cách phân đoạn mạng, tăng số lượng máy tính trên mạng. • Lọc những gói dữ liệu để gửi đi hay không gửi đi cho đoạn nối, hoặc gửi trả lại nơi xuất phát. • Phân chia mạng lớn thành nhiều mạng nhỏ nhằm cô lập lưu lượng, tăng tốc độ mạng. Nếu lưu lượng từ một nhóm máy tính trở nên quá tải và giảm hiệu xuất mạng thì cầu nối có thể cô lập máy tính hay bộ phận này. • Kết nối các phương tiện truyền dẫn khác nhau. • Kết nối các đoạn mạng sử dụng phương pháp truy cập khác nhau. Trang 59
61. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh Hình IV-7.Bridge trong mô hình OSI Nguyên lý hoạt động: • Cầu nối không phân biệt giao thức này với giao thức khác, chỉ có nhiệm vụ lưu chuyển tất cả các giao thức trên mạng. Vì các giao thức đều có thể di chuyển qua cầu nối nên tùy thuộc vào từng máy quyết định chúng có thể nhận diện giao thức • Cầu nối hoạt động trên nguyên tắc mỗi nút mạng có một địa chỉ riêng. Cầu nối chuyển gói dữ liệu dựa trên địa chỉ vật lý (MAC address) của nút đích. Khi dữ liệu truyền qua cầu nối, thông tin địa chỉ này sẽ được lưu trong RAM của cầu nối dùng để xây dựng bản địa chỉ dựa trên địa chỉ nguổn của gói tin. IV.2.5. Bộ chuyển mạch (Switch) Bộ chuyển mạch có chức năng giống cầu nối nhưng có nhiều port. Bộ chuyển mạch có thể kết nối một số mạng LAN riêng biệt và cung cấp khả năng lọc gói dữ liệu giữa chúng. Hiện nay, bộ chuyển mạch được sử dụng rộng rãi thay thế cho Hub. Hình IV-8. Switch Trang 60
62. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh IV.2.6. Gateway Gateway (cổng nối) hoạt động ở mức mạng, thực hiện việc ghép nối với WAN. Nguyên lý chung của nối kết này là tạo ra một tầng “liên mạng” (internet) trong tất cả các kiến trúc của mạng con tham gia nối kết. Tầng liên mạng thường là tầng con nằm ngay trên tầng 3 trong mô hình OSI. Hình IV-9. Sơ đồ kiến trúc của gateway trong mô hình OSI. Tầng con Internet được cài đặt trong tất cả các trạm cũng như trong các giao diện kết nối (gateway). Tầng này cung cấp dịch vụ truyền thông liên mạng với hai chức năng chính: • Chuyển đổi các đơn vị dữ liệu của giao thức (Protocol Data Unit- PDU). • Chọn đường đi cho các PDU này. Các gói tin ở tầng con Internet lưu thông trong mạng theo phương pháp “đóng gói/tách gói”. Khi một datagram được truyền từ mạng con này qua mạng con khác thông qua gateway thì nó được bổ sung vào hoặt tách ra các phần thông tin điều khiển cần thiết cho mạng con. Gateway có các giao thức xác định trước thường là nhiều giao thức, một gateway đa giao thức thường được chế tạo như các card có chứa các bộ xử lý riêng và cài đặt trên các máy tính hoặc thiết bị chuyên biệt. IV.3. Giao thức IP (IP Protocol) Giao thức IP (Internet Protocol) hoạt động ở tầng mạng, cung cấp dịch vụ dữ liệu không liên kết (connectionless) cho nhiều giao thức liên kết dữ liệu khác. Đơn vị dữ liệu dùng trong IP là datagram, hay còn gọi là gói tin. Chức năng chính của IP: • Định nghĩa gói tin datagram là đơn vị dữ liệu cơ bản của việc truyền tin trên Internet. Trang 61
63. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh • Xác định mô hình gán địa chỉ cho các gói tin và quản lý các quá trình trao đổi, xử lý các gói tin này. • Chọn đường cho các datagram trên mạng. • Phân đoạn và sắp xếp lại các gói tin. Tính chất của giao thức IP • Là giao thức hoạt động theo phương thức không nối kết. • Không tin cậy: giao thức IP không có khả năng phát hiện và khắc phục lỗi, không quan tâm đến vấn đề dữ liệu có được nhận một cách chính xác không. Các gói dữ liệu có thể bị thất lạc, trùng lập, bị chậm hoặc không đúng thứ tự. Mỗi gói dữ liệu được xử lý độc lập và có thể gửi theo những đường định tuyến khác nhau. IV.3.1. Định dạng khung gói tin IP 0 15 16 31 4-bit 4-bit 8-bit Type Of Version Header Service 16-bit Total Length (in bytes) Length (TOS) 3-bit 16-bit Identification Flags 13-bit Fragment Offset 8 bit Time To Live 8-bit Protocol 16-bit Header Checksum TTL 32-bit Source IP Address 32-bit Destination IP Address Options (if any) Data Hình IV-10. Định dạng khung gói tin IP Ý nghĩa các trường dữ liệu: • VER (4 bits): chỉ version hiện hành của giao thức IP hiện được cài đặt, việc có chỉ số version cho phép có các trao đổi giữa các hệ thống sử dụng version cũ và hệ thống sử dụng version mới. • IHL (4 bits): chỉ độ dài phần đầu (Internet header Length) của gói tin datagram, tính theo đơn vị từ ( 32 bits). Trường này bắt buột phải có Trang 62
64. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh vì phần đầu IP có thể có độ dài thay đổi tùy ý. Độ dài tối thiểu là 5 từ (20 bytes), độ dài tối đa là 15 từ hay là 60 bytes. • Type of service (8 bits): đặc tả các tham số về dịch vụ nhằm thông báo cho mạng biết dịch vụ nào mà gói tin muốn được sử dụng, chẳng hạn ưu tiên, thời hạn chậm trễ, năng suất truyền và độ tin cậy. Hình sau cho biết ý nghĩ của trường 8 bits này. o Precedence (3 bit): chỉ thị về quyền ưu tiên gửi datagram, nó có giá trị từ 0 (gói tin bình thường) đến 7 (gói tin kiểm soát mạng). o D (Delay) (1 bit): chỉ độ trễ yêu cầu trong đó (D = 0 gói tin có độ trễ bình thường, D = 1 gói tin độ trễ thấp) o T (Throughput) (1 bit): chỉ độ thông lượng yêu cầu sử dụng để truyền gói tin với lựa chọn truyền trên đường thông suất thấp hay đường thông suất cao. • T = 0 thông lượng bình thường và • T = 1 thông lượng cao o R (Reliability) (1 bit): chỉ độ tin cậy yêu cầu (R = 0 độ tin cậy bình thường, R = 1 độ tin cậy cao) • Total Length (16 bits): chỉ độ dài toàn bộ gói tin, kể cả phần đầu tính theo đơn vị byte với chiều dài tối đa là 65535 bytes. Hiện nay giới hạn trên là rất lớn nhưng trong tương lai với những mạng Gigabit thì các gói tin có kích thước lớn là cần thiết. • Identification (16 bits): cùng với các tham số khác (như Source Address và Destination Address) tham số này dùng để định danh duy nhất cho một datagram trong khoảng thời gian nó vẫn còn trên liên mạng. • Flags (3 bits): liên quan đến sự phân đoạn (fragment) các datagram, Các gói tin khi đi trên đường đi có thể bị phân thành nhiều gói tin nhỏ, trong trường hợp bị phân đoạn thì trường Flags được dùng điều khiển phân đoạn và tái lắp ghép bó dữ liệu. Tùy theo giá trị của Flags sẽ có ý nghĩa là gói tin sẽ không phân đoạn, có thể phân đoạn hay là gói tin phân đoạn cuối cùng. Trường Fragment Offset cho biết vị trí dữ liệu thuộc phân đoạn tương ứng với đoạn bắt đầu của gói dữ liệu gốc. Ý nghĩa cụ thể của trường Flags là: Trang 63
65. Bài giảng Mạng máy tính Trần Ngô Như Khánh o bit 0: reserved - chưa sử dụng, luôn lấy giá trị 0. o bit 1: (DF) = 0 (May Fragment) = 1 (Don't Fragment) o bit 2: (MF) = 0 (Last Fragment) = 1 (More Fragments) • Fragment Offset (13 bits): chỉ vị trí của đoạn (fragment) ở trong datagram tính theo đơn vị 8 bytes, có nghĩa là phần dữ liệu mỗi gói tin (trừ gói tin cuối cùng) phải chứa một vùng dữ liệu có độ dài là bội số của 8 bytes. Điều này có ý nghĩa là phải nhân giá trị của Fragment offset với 8 để tính ra độ lệch byte. • Time to Live (8 bits): qui định thời gian tồn tại của gói tin trong mạng để tránh tình trạng một gói tin bị quẩn trên mạng. Thời gian này được cho bởi trạm gửi và được giảm đi (thường qui ước là 1 đơn vị) khi datagram đi qua mỗi router của liên mạng. Thời lượng này giảm xuống tại mỗi router với mục đích giới hạn thời gian tồn tại của các gói tin và kết thúc những lần lặp lại vô hạn trên mạng. Sau đây là 1 số điều cần lưu ý về trường Time To Live: o Nút trung gian của mạng không được gởi 1 gói tin mà trường này có giá trị= 0. o Một giao thức có thể ấn định Time To Live để thực hiện cuộc ra tìm tài nguyên trên mạng trong phạm vi mở rộng. o Một giá trị cố định tối thiểu phải đủ lớn cho mạng hoạt động tốt. • Protocol (8 bits): chỉ giao thức tầng trên kế tiếp sẽ nhận vùng dữ liệu ở trạm đích (hiện tại thường là TCP hoặc UDP được cài đặt trên IP). Ví dụ: TCP có giá trị trường Protocol là 6, UDP có giá trị trường Protocol là 17. • Header Checksum (16 bits): Mã kiểm soát lỗi của header gói tin IP. • Source Address (32 bits): Địa chỉ IP của máy nguồn. • Destination Address (32 bits): Địa chỉ IP của máy đích. • Options (độ dài thay đổi): Khai báo các lựa chọn do người gửi yêu cầu (tuỳ theo từng chương trình). • Padding (độ dài thay đổi): Vùng đệm, được dùng để đảm bảo cho phần header luôn kết thúc ở một mốc 32 bits. • Data (độ dài thay đổi): Trên một mạng cục bộ như vậy, hai trạm chỉ có thể liên lạc với nhau nếu chúng biết địa chỉ vật lý của nhau. Như vậy vấn đề đặt ra là phải thực hiện ánh xạ giữa địa chỉ IP (32 bits) và địa chỉ vật lý (48 bits) của một trạm. Trang 64