Bài giảng mạng máy tính - Trần Ngô Như Khánh

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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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 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