Bài giảng Mạng máy tính - Chương 1: Tổng quan về mạng máy tính - Lê Văn Minh

Faculty of Information Technology MẠNG MÁY TÍNH Giáo viên: TS. Lê Văn Minh E-mail: minhdhvinh@gmail.com Mobile: 0912077733 2Mục đích môn học Tổng quan về mạng máy tính Khái niệm cơ bản về mạng máy tính Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI Mạng cục bộ (LAN-Local Area Network) Giới thiệu chung Kỹ thuật mạng cục bộ Các phương pháp truy nhập đường truyền vật lý Các thành phần mạng cục bộ Các chuẩn LAN Quy trình thiết kế Tài liệu chính [1]. Hồ Đắc Phương, Giáo trình nhập môn mạng máy tính, NXB Giáo dục Việt Nam, 2009  Tài liệu tham khảo [2]. Kurose, Rose, Computer Networking, Fifth Edition, 2010 3 4BÀI 1. KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ MẠNG MÁY TÍNH  Ở mức độ cơ bản nhất, mạng bao gồm hai máy tính nối với nhau bằng cáp, sao cho chúng có thể dùng chung dữ liệu.  Tất cả mạng máy tính phức tạp đến đâu thì cũng bắt nguồn từ hệ thống đơn giản đó.  Lý do hình thành mạng máy tính: phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ, dùng chung tài nguyên và cho phép giao tiếp trực tuyến (online). Tài nguyên gồm có tài nguyên phần mềm (dữ liệu, chươg trình ứng dụng, ...) và tài nguyên phần cứng (máy in, máy quét, CD ROOM,.). Giao tiếp trực tuyến bao gồm gửi và nhận thông điệp, thư điện tử.  Trước khi mạng máy tính được sử dụng, người ta thường phải tự trang bị máy in, máy vẽ và các thiết bị ngoại vi khác cho riêng mình. Để có thể dùng chung máy tin thì mọi người phải thay phiên nhau ngồi trước máy tính được nối với máy in. Khi nối mạng thì cho phép tất cả mọi người đều có quyền sử dụng máy in đó. 5Lịch sử phát triển  Cuối những năm 60 các hệ thống máy tính được tập trung hoá cao độ như mainfram, minicomputer,... được gọi là máy tính trung tâm và nhiều trạm cuối nối với nó. Máy tính trung tâm hầu như đảm nhiệm tất cả mọi việc : + Xử lý thông tin + Quản lý các thủ tục truyền dữ liệu + Quản lý sự đồng bộ của các trạm cuối + Quản lý các hàng đợi + Xử lý các ngắt từ các trạm cuối,.. 6Lịch sử phát triển  Nhược điểm: + Tốn quá nhiều vật liệu để nối các trạm với trung tâm + Máy tính trung tâm quá tải (phải làm việc quá nhiều)  Để giảm nhiệm vụ của máy tính trung tâm người ta gom các trạm cuối vào bộ gọi là bộ tập trung (hoặc bộ dồn kênh) trước khi chuyển về trung tâm. Các bộ này có chức năng tập trung các tín hiệu do trạm cuối gửi đến vào trên cùng một đường truyền. + Bộ dồn kênh (multiplexor): có khả năng truyền song song các thông tin do trạm cuối gửi về trung tâm. + Bộ tập trung (concentrator): không có khả năng này, phải dùng bộ đệm để lưu trữ tạm thời dữ liệu  Từ cuối những năm 70, các máy tính được nối trực tiếp với nhau để tạo thành mạng máy tính nhằm phân tán tải của hệ thống và tăng độ tin cậy. 7Định nghĩa  Mạng máy tính là một hệ thống các máy tính tự trị (autonomous computer) được kết nối với nhau bằng đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó. 8Các yếu tố của mạng máy tính a. Đường truyền vật lý Đường truyền vật lý là môi trường lan truyền tín hiệu giữa các máy tính trong hệ thống mạng.  Các tín hiệu đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on - off). Tất cả các tín hiệu đó đều thuộc dạng sóng điện từ (trải từ tần số sóng radio, sóng ngắn, tia hồng ngoại).  Ứng với mỗi loại tần số của sóng điện tử có các đường truyền vật lý khác nhau để truyền tín hiệu. Hiện nay có hai loại đường truyền: + Đường truyền hữu tuyến: cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn (có bọc kim, không bọc kim) , cáp sợi quang + Đường truyền vô tuyến: radio, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại 9Các yếu tố của mạng máy tính a. Đường truyền vật lý Cáp đồng trục dùng để truyền các tín hiệu số trong mạng cục bộ hoặc làm mạng điện thoại đường dài.  Cấu tạo gồm có một sợi kim loại ở trung tâm được bọc bởi một lớp cách điện và một lưới kim loại chống nhiễu. Ở ngoài cùng là vỏ bọc cách điện. Sợi kim loại trung tâm và lưới kim loại làm thành hai sợi dẫn điện đồng trục Vá bäc kim lo¹ i D©y dÉn trung t©m Lí p c¸ch ®iÖn L­ í i kim lo¹ i H×nh 1. C¸ p ®ång trôc 10 Các yếu tố của mạng máy tính a. Đường truyền vật lý Cáp sợi quang: là cáp truyền dẫn sóng ánh sáng, có cấu trúc tương tự như cáp đồng trục với chất liệu là thuỷ tinh. Tức là gồm một dây dẫn trung tâm (một hoặc một bó sợi thuỷ tinh hoặc plastic có thể truyền dẫn tín hiệu quang) được bọc một lớp áo có tác dụng phản xạ các tín hiệu trở lại để giảm sự mất mát tín hiệu.  Có hai loại cáp sợi quang là: single-mode (chỉ có một đường dẫn quang duy nhất), multi-mode (có nhiều đường dẫn quang) cáp sợi quang có độ suy hao tín hiệu thấp, không bị ảnh hưởng của nhiễu điện từ và các hiệu ứng điện khác, không bị phát hiện và thu trộm, an toàn thông tin trên mạng được bảo đảm. Khó lắp đặt, giá thành cao Simplex Fiber Optic Cables Duplex Fiber Optic Cables Hình 2. Hai loại cáp quang 11 Các yếu tố của mạng máy tính b. Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture)  Kiến trúc mạng máy tính thể hiện cách nối các máy tính với nhau ra sao và tập hợp các quy tắc, quy ước mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt.  Cách nối các máy tính được gọi là hình trạng (topology) của mạng hay nói cho gọn là topo mạng  Tập hợp các quy tắc, quy ước truyền thông được gọi là giao thức (protocol) của mạng 12 Các yếu tố của mạng máy tính b. Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture) Topo mạng Có hai kiểu kết nối mạng chủ yếu là điểm - điểm (point-to-point) và quảng bá (broadcast hay point-to-multipoint)  Kiểu kết nối điểm - điểm, các đường truyền nối từng cặp nút với nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi tới đích. Do cách làm việc như thế nên mạng kiểu này còn được gọi là mạng lưu và chuyển tiếp (store and forward). Nói chung các mạng diện rộng đều sử dụng nguyên tắc này.  Kiểu quảng bá: Tất cả các nút mạng dùng chung một đường truyền vật lý. Dữ liệu gửi đi từ một nút mạng có thể được tất cả các nút mạng còn lại tiếp nhận  chỉ cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút kiểm tra xem có phải là gửi cho mình hay không. 13 Các yếu tố của mạng máy tính b. Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture) Topo mạng H×nh sao (star) chu tr×nh (loop) c©y (tree) ®Çy ®ñ (complet) H×nh 3. Mét sè topo m¹ ng kiÓu ®iÓm - ®iÓm Vßng (ring) tuyÕn tÝnh (bus) vÖ tinh hoÆc radio H×nh 4. Mét sè topo m¹ ng kiÓu qu¶ng b¸ 14 Các yếu tố của mạng máy tính b. Kiến trúc mạng máy tính (Network architecture) Giao thức mạng Việc trao đổi thông tin phải tuân theo những quy tắc nhất định.  Hai người nói chuyện với nhau muốn cho cuộc nói chuyện có kết quả thì ít nhất cả hai cũng phải ngầm định tuân theo quy tắc: khi người này nói thì người kia phải nghe và ngược lại.  Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy, cần phải có những quy tắc, quy ước về nhiều mặt + Khuôn dạng của dữ liệu: cú pháp và ngữ nghĩa + Thủ tục gửi và nhận dữ liệu + Kiểm soát chất lượng truyền + Xử lý các lỗi, sự cố Tập hợp tất cả các quy tắc, quy ước mà theo đó các đối tượng tham gia trong mạng có thể trao đổi thông tin với nhau được gọi là giao thức mạng. 15 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Các yếu tố dùng để phân loại mạng Theo khoảng cách địa lý  Kỹ thuật chuyển mạch  Phân loại theo kiến trúc mạng 16 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo khoảng cách địa lý  Mạng cục bộ (Local Area Networks - LAN): cài đặt trong phạm vi tương đối hẹp, khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nối mạng là vài chục km.  Mạng đô thị (Metropolitan Area Networks - MAN): cài đặt trong phạm vi một đô thị, một trung tâm kinh tế xã hội, có bán kính nhỏ hơn 100 km  Mạng diện rộng (Wide Area Networks - WAN): phạm vi của mạng có thể vượt qua biên giới quốc gia và thậm chí cả lục địa  Mạng toàn cầu (Global Area Networks - GAN): phạm vi rộng khắp các lục địa 17 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch kênh Khi có hai thực thể cần trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng thiết lập một “kênh” cố định và được duy trì cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc. Các dữ liệu chỉ được truyền theo con đường cố định đó.  Nhược điểm: + tốn thời gian thiết lập kênh truyền giữa hai thực thể + Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp vì có lúc kênh bị bỏ không do cả hai bên đều hết thông tin cần truyền trong khi các thực thể khác không được phép sử dụng kênh truyền này. 18 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch kênh 19 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch thông báo  Thông báo (message) là một đơn vị thông tin của người sử dụng có khuôn dạng được qui định trước.  Mỗi thông báo đều có chứa vùng thông tin điều khiển trong đó chỉ định rõ đích của thông báo.  Căn cứ vào thông tin này mà mỗi nút trung gian có thể chuyển thông báo tới nút kế tiếp theo đường dẫn tới đích của nó.  Mỗi nút cần phải lưu trữ tạm thời để “đọc” thông tin điều khiển trên thông báo và chuyển tiếp thông báo đi.  Tuỳ thuộc vào điều kiện của mạng, các thông báo khác nhau có thể truyền theo đường truyền khác nhau. 20 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch thông báo 21 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch gói Mỗi thông báo được chia làm nhiều phần nhỏ hơn được gọi là các gói tin có khuôn dạng quy định trước.  Mỗi gói tin cũng chứa các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn (người gửi) và đích (người nhận) của gói tin.  Các gói tin của một thông báo có thể đi qua mạng tới đích bằng nhiều con đường khác nhau.  Lúc nhận được, thứ tự nhận được không đúng thứ tự được gửi đi. 22 PHÂN LOẠI MẠNG MÁY TÍNH Theo Kỹ thuật chuyển mạch Mạng chuyển mạch gói 23 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng - Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, hầu hết các máy tính đều được phân tích thiết kế theo quan điểm phân tầng. -Mỗi hệ thống thành phần của mạng được xem như một cấu trúc đa tầng, trong đó mỗi tầng được xây dựng trên tầng trước nó. - Số lượng các tầng cũng như tên và chức năng của mỗi tầng tuỳ thuộc vào nhà thiết kế. - 1977 Tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế (International Organization for Standardization - ISO) đưa ra một tiêu chuẩn về mạng. - 1984 ISO đưa ra mô hình 7 tầng gọi là mô hình tham chiếu cho việc nối kết các hệ thống mở (Reference Model for Open Systems Interconnection - OSI Reference Model) gọi tắt là mô hình OSI. Mô hình này được dùng làm cơ sở để nối kết các hệ thống mở phục vụ cho các ứng dụng phân tán  Mọi hệ thống tuân theo mô hình tham chiếu OSI đều có thể truyền thông tin với nhau. 24 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng 25 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng 26 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng 27 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng 28 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng 29 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng vật lý (physical layer) Định nghĩa tất cả các đặc tả về điện và vật lý cho các thiết bị.  Trong đó bao gồm bố trí của các chân cắm (pin), các hiệu điện thế, và các đặc tả về cáp nối (cable).  Các thiết bị tầng vật lí bao gồm Hub, bộ lặp (repeater), thiết bị tiếp hợp mạng (network adapter) và thiết bị tiếp hợp kênh máy chủ (Host Bus Adapter)- (HBA dùng trong mạng lưu trữ (Storage Area Network)). 30 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng vật lý (physical layer) Chức năng và dịch vụ căn bản được thực hiện bởi tầng vật lý bao gồm: - Thiết lập hoặc ngắt mạch kết nối điện (electrical connection) với một phương tiện truyền thông (transmission medium). - Tham gia vào quy trình mà trong đó các tài nguyên truyền thông được chia sẻ hiệu quả giữa nhiều người dùng. Chẳng hạn giải quyết tranh chấp tài nguyên (contention) và điều khiển lưu lượng. - Điều biến (modulation), hoặc biến đổi giữa biểu diễn dữ liệu số (digital data) của các thiết bị người dùng và các tín hiệu tương ứng được truyền qua kênh truyền thông (communication channel). 31 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) Tầng liên kết dữ liệu cung cấp các phương tiện có tính chức năng và quy trình để truyền dữ liệu giữa các thực thể mạng, phát hiện và có thể sửa chữa các lỗi trong tầng vật lý nếu có.  Cách đánh địa chỉ mang tính vật lý, nghĩa là địa chỉ được mã hóa cứng vào trong các thẻ mạng (network card) khi chúng được sản xuất. Các bước tầng liên kết dữ liệu thực hiện: + Chia nhỏ thành các khối dữ liệu frame (vài trăm bytes), ghi thêm vào đầu và cuối của các frame những nhóm bít đặc biệt để làm ranh giới giữa các frame + Trên các đường truyền vật lý luôn có lỗi nên tầng này phải giải quyết vấn đề sửa lỗi (do bản tin bị hỏng, mất và truyền lại) + Giữ cho sự đồng bộ tốc độ giữa bên phát và bên thu 32 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng mạng (Network layer) Lập địa chỉ các thông điệp, diễn dịch địa chỉ và tên logic thành địa chỉ vật lý  Tầng mạng cung cấp các chức năng và qui trình cho việc truyền các chuỗi dữ liệu có độ dài đa dạng, từ một nguồn tới một đích, thông qua một hoặc nhiều mạng, trong khi vẫn duy trì chất lượng dịch vụ (quality of service) mà tầng giao vận yêu cầu.  Tầng mạng thực hiện chức năng định tuyến, .Các thiết bị định tuyến (router) hoạt động tại tầng này 33 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng giao vận (Transport layer) Tầng giao vận cung cấp dịch vụ chuyên dụng chuyển dữ liệu giữa các người dùng tại đầu cuối, nhờ đó các tầng trên không phải quan tâm đến việc cung cấp dịch vụ truyền dữ liệu đáng tin cậy và hiệu quả.  Tầng giao vận kiểm soát độ tin cậy của một kết nối được cho trước.  Một số giao thức có định hướng trạng thái và kết nối (state and connection orientated).  Có nghĩa là tầng giao vận có thể theo dõi các gói tin và truyền lại các gói bị thất bại. 34 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng phiên (Session layer) Tầng phiên kiểm soát các (phiên) hội thoại giữa các máy tính.  Tầng này thiết lập, quản lý và kết thúc các kết nối giữa trình ứng dụng địa phương và trình ứng dụng ở xa.  Tầng này thiết lập các qui trình đánh dấu điểm hoàn thành (checkpointing) - giúp việc phục hồi truyền thông nhanh hơn khi có lỗi xảy ra, vì điểm đã hoàn thành đã được đánh dấu - trì hoãn (adjournment), kết thúc (termination) và khởi động lại (restart).  Mô hình OSI uỷ nhiệm cho tầng này trách nhiệm "ngắt mạch nhẹ nhàng" (graceful close) các phiên giao dịch và trách nhiệm kiểm tra và phục hồi phiên 35 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng trình diễn (Presentation layer) Tầng trình diễn biến đổi dữ liệu để cung cấp một giao diện tiêu chuẩn cho tầng ứng dụng.  Nó thực hiện các tác vụ như mã hóa dữ liệu sang dạng MIME, nén dữ liệu, và các thao tác tương tự đối với biểu diễn dữ liệu để trình diễn dữ liệu theo như cách mà chuyên viên phát triển giao thức hoặc dịch vụ cho là thích hợp. Chẳng hạn: chuyển đổi tệp văn bản từ mã EBCDIC sang mã ASCII 36 BÀI 2. KIẾN TRÚC PHÂN TẦNG VÀ MÔ HÌNH OSI Kiến trúc phân tầng Tầng ứng dụng (Application layer) Tầng ứng dụng là tầng gần với người sử dụng nhất. Nó cung cấp phương tiện cho người dùng truy nhập các thông tin và dữ liệu trên mạng thông qua chương trình ứng dụng.  Tầng này là giao diện chính để người dùng tương tác với chương trình ứng dụng, và qua đó với mạng.  Một số ví dụ về các ứng dụng trong tầng này bao gồm Telnet, Giao thức truyền tập tin FTP và Giao thức truyền thư điện tử SMTP, remote......... 37 Summary  Khái miệm mạng máy tính – Kiến trúc mạng, Topo mạng, giao thức mạng, đường truyền vật lý.  Kiến trúc phân tầng, mô hình OSI – Nguyên lý phân tầng. – Mô hình truyền tin thông qua các tầng. – Mô hình 7 tầng của ISO. – Chức năng của các tầng.