Đề tài IP va ứng dụng trong internet

CHƯƠNG I TỔNG QUAN VỀ MẠNG INTERNET Nội dung chính của Chương 1 sẽ trình bày các khái niệm cơ bản về mạng Internet, nguồn gốc và lịch sử phát triển của mạng Internet qua từng giai đoạn, nêu lên các ứng dụng và ưu điểm mà mạng Internet mang lại cho người dùng như. Từ đó, nêu lên cấu trúc và các thành phần cơ bản trên mạng Internet. Nội dung chính của Chương 1 bao gồm những phần sau. Giới thiệu và các khái niệm về mạng Internet, nêu lên cấu trúc chung của mạng Internet. Từ đó, tìm hiểu nguồn gốc và lịch sử phát triển của mạng Internet qua từng giai đoạn, cũng như biết được các ưu điểm của mạng Internet, cuối cùng là các thành phần cơ bản trên mạng Internet. 1.1. Giới thiệu và các khái niệm về mạng Internet Có rất nhiều khái niệm nói về mạng Internet, nhưng ta có thể hiểu đơn giản về mạng Internet là hệ thống thông tin toàn cầu, có thể được truy nhập bởi bất cứ ai và ở bất cứ đâu trên thế giới. Hệ thống này truyền thông tin theo kiểu gói dữ liệu, dựa trên một giao thức liên mạng đã được chuẩn hóa giao thức IP (Internet Protocol). Mặt khác, ta có thể hiểu mạng Internet gồm nhiều mạng máy tính liên kết với nhau để chia sẻ các thông tin dữ liệu với nhau thông qua một môi trường truyền dẫn chung (môi trường đường truyền vật lý, cùng với nhiều các thiết bị chuyên dụng khác để đảm bảo cho Internet hoạt động thông suốt). Thông qua mạng Internet, hàng triệu máy tính của hàng triệu người dùng ở khắp mọi nơi trên thế giới với các mục đích khác nhau có thể liên kết được với nhau. Hình 1.1 mô tả cấu trúc mạng Internet tổng quát, [1]. Hình 1.1. Mô hình minh họa cho 1 liên mạng thông qua Internet 1.2. Nguồn gốc và lịch sử phát triển của mạng Internet Tiền thân của Internet là cơ quan nghiên cứu mạng nâng cao (Advanced Research Projects Agency Network - ARPANRT), là mạng máy tính đầu tiên được xây dựng bởi bộ quốc phòng Mỹ. Mạng APPANET ban đầu được triển khai để kết nối 4 địa điểm đầu tiên vào tháng 7 năm 1969 gồm: viện nghiên cứu Stanford, đại học California, đại học Utah và Santa Barbara, để thử nghiệm độ tin cậy của mạng và kết nối với mục đích chính là phát triển, nghiên cứu và dùng cho mục đích quân sự. ARPANET khởi đầu với qui mô nhỏ, nhưng thiết kế của ARPANET độc đáo ở chỗ là mạng vẫn có thể hoạt động tốt khi một phần của nó bị phá hủy trong các trường hợp chiến tranh hoặc thiên tai. Sau đó, ARPANET nhanh chóng mở rộng thêm các nút mạng mới và trở thành mạng quốc gia. Thành công của ARPANET được nhân lên gấp bội khi tất cả các trường đại học đều đăng ký gia nhập. Tuy nhiên, qui mô lớn của mạng đã gây khó khăn trong vấn đề quản lý. Do đó, bộ quốc phòng Mỹ quyết định tách phần quân sự ra khỏi ARPANET là mạng MILNET (Military Network). MILNET là hệ thống mạng dành cho quân sự, thuộc sự quản lý của bộ quốc phòng Mỹ và ARPANET mới có quy mô nhỏ hơn, không thuộc bộ quốc phòng Mỹ. Nhưng hai mạng vẫn liên kết với nhau nhờ giải pháp kỹ thuật được gọi là IP (Internet Protocol), cho phép thông tin truyền từ mạng này sang mạng khác khi cần thiết. Thuật ngữ "Internet" xuất hiện lần đầu vào khoảng năm 1974. Lúc đó mạng Internet vẫn được gọi là ARPANET. Năm 1983, giao thức TCP/IP (Transmission Control Protocol /Internet protocol) chính thức được coi như một chuẩn đối với ngành quân sự Mỹ và tất cả các máy tính nối với ARPANET phải sử dụng chuẩn mới này. Giao thức TCP/IP ngày càng thể hiện rõ các điểm mạnh của nó, nhất là khả năng liên kết các mạng khác với nhau một cách dễ dàng. Chính điều này, cùng với các chính sách mở cửa đã cho phép các mạng dùng cho nghiên cứu và thương mại kết nối được với ARPANET. Năm 1980, ARPANET được đánh giá là mạng trụ cột của Internet. Mốc lịch sử quan trọng của Internet được xác lập vào giữa thập niên 1980, khi tổ chức khoa học quốc gia Mỹ NSF (National Science Foundation) thành lập mạng liên kết các trung tâm máy tính lớn với nhau gọi là NSFNET (National Science Foundation Network). Nhiều doanh nghiệp đã chuyển từ ARPANET sang NSFNET vì ARPANET không còn hiệu quả nữa. Năm 1990, sau 20 năm phát triển, APPANET đã ngừng hoạt động. Sự hình thành mạng xương sống của NSFNET và những mạng vùng khác đã tạo ra một môi trường thuận lợi cho sự phát triển của Internet. Với khả năng kết nối mở, Internet đã trở thành một mạng lớn nhất trên thế giới, dần dần, nó xuất hiện trong mọi lĩnh vực thương mại, chính trị, quân sự, nghiên cứu, giáo dục, văn hoá, thể thao và đời sống xã hội. Cũng từ đó, các dịch vụ trên Internet không ngừng phát triển tạo ra một kỷ nguyên mới, kỷ nguyên thương mại điện tử trên Internet, [2]. 1.3. Ưu điểm của mạng Internet Hiện nay, Internet đã không còn xa lạ gì với mọi người nữa, nó là một mạng ảo lớn có tầm ảnh hưởng và tác động sâu sắc đối với xã hội, là một phương tiện cần thiết như điện thoại hay tivi. Ngoài ra, Internet còn cung cấp khá nhiều tiện ích khác như là: thư điện tử, trò chuyện trực tuyến với bạn bè, đọc báo, giải trí, tra cứu các tài nguyên trên mạng Internet để phục vụ cho các mục đích khác nhau. Tóm lại, Internet như một mạng máy tính toàn cầu nổi trên khắp thế giới, giúp kết nối hàng triệu máy tính, hàng triệu người dùng trên thế giới lại với nhau, [3]. 1.4. Các thành phần cơ bản trên mạng Internet 1.4.1. Nhà cung cấp truy cập Internet (Internet Access Provider - IAP) IAP là nhà cung cấp truy cập Internet. Vì Internet được coi như là một siêu xa lộ thông tin nếu bạn muốn truy cập vào nó thì IAP được coi như là phương tiện để đưa bạn vào xa lộ này. Hay nói cách khác, IAP giúp ta có thể kết nối trực tiếp với Internet. Một IAP có thể được xem như một nhà cung cấp dịch vụ ISP (Internet Service Provider), IAP có thể đảm nhận chức năng tương tự như ISP, nhưng ngược lại, ISP không được xem như một IAP. Một IAP thường phục vụ cho nhiều ISP khác nhau. 1.4.2. Nhà cung cấp dịch vụ Internet (Internet Service Provider - ISP) ISP là nhà cung cấp dịch vụ Internet, cung cấp các giải pháp kết nối Internet cho các tổ chức hay các cá nhân. Một số ISP ở Việt Nam là FPT, Viettel, Netnam và VNPT. Các ISP phải thuê đường truyền của một IAP, thường là cáp quang hay vệ tinh. Các ISP có quyền kinh doanh thông qua các hợp đồng cung cấp dịch vụ Internet cho các tổ chức và các cá nhân. Từ đó, các tổ chức hay cá nhân có thể sử dụng được các dịch vụ mà ISP đó cung cấp. 1.4.3. Nhà cung cấp nội dung trên Internet (Internet Content Provider - ICP) ICP là nhà cung cấp nội dung trên mạng Internet, các nội dung thông tin được các ICP tập hợp, soạn thảo lại và đưa lên mạng Internet thông qua một máy chủ nào đó. Các nội dung mà ICP cung cấp thường rất đa dạng và phong phú về nhiều lĩnh vực khác nhau như văn hóa, thể thao, kinh tế, giáo dục. ICP có thể là một ISP, một máy chủ riêng hoặc thuê máy chủ của ISP. Hình 1.2 mô tả mối liên hệ giữa ISP, IAP, ICP và người dùng Internet, [4]. Nguồn: Hình 1.2. Mối liên hệ giữa IAP – ISP – ICP và người dùng Internet 1.4.4. Các thiết bị cơ bản kết nối vào Internet 1.4.4.1. Các đường truyền vật lý Dùng để chuyển tải tín hiệu điện tử giữa các máy tính, giữa các mạng với nhau dưới nhiều dạng tín hiệu khác nhau như: tín hiệu điện ở cáp đồng, tín hiệu quang ở các loại cáp quang hay ở dạng sóng điện từ . 1.4.4.2. Card mạng (Network Interface card - NIC) Được thiết kế ngay trong bảng mạch chính của máy tính hoặc dưới dạng giao tiếp mạng. NIC dùng để nối máy tính với mạng, được cài đặt vào một khe cắm của máy tính. NIC có chức năng chính là chuyển đổi tín hiệu bên trong máy tính thành tín hiệu sao cho phù hợp với đường truyền của mạng. Hình 1.3 mô tả một loại card mạng phổ biến được sử dụng nhiều hiện nay. Nguồn: Hình 1.3. Hình mô tả 1 card mạng 1.4.4.3. Cầu nối (Bridge) Bridge là thiết bị kết nối mạng LAN có kiến trúc khác nhau ở lớp vật lí nhưng thông suốt với sáu lớp phía trên. Nhiệm vụ của nó là lọc khung và chuyển khung. Bridge có hai dạng cơ bản là: dạng cục bộ và dạng xa. Đối với bridge dạng xa, thiết bị tổ chức thành một cặp nằm ở hai đầu đường truyền. Bridge cục bộ: là bridge nối hai mạng LAN đồng nhất với nhau theo kiểu trực tiếp với khoảng cách tương đối ngắn khoảng vài chục mét. Bridge xa: thường dùng để nối hai LAN xa nhau thông qua phương tiện kết nối viễn thông. Thông thường các bridge loại này có một cổng giao tiếp mạng LAN và vài cổng giao tiếp với mạng WAN như mạng tích hợp nhiều dịch vụ ISDN (Integrated Services Digital Network). Bridge xa được dùng phổ biến hơn so với bridge cục bộ bởi khả năng mở rộng khoảng cách lớn. Hình 1.4 mô tả Bridge trong thực tế. Nguồn: Hình 1.4. Hình Bridge trong thực tế 1.4.5.4. Bộ chia (Hub) Hub là bộ chia hay là 1 bộ tập trung, thông thường các thiết bị đều được nối lại với bộ chia. Thiết bị này được chia thành 3 loại: thứ nhất, bộ chia bị động có khả năng tổ hợp các tính hiệu từ một số đoạn cáp mạng nhưng không xử lí tín hiệu. Thứ hai, bộ chia chủ động có khả năng xử lý, khuyếch đại các tín hiệu truyền giữa các thiết bị mạng. Nó có tác dụng tái sinh lại các tín hiệu, loại bỏ nhiễu. Tuy nhiên, giá thành loại này thường rất cao. Cuối cùng, bộ chia thông minh chủ động nhưng cho phép chọn nhanh các tín hiệu giữa các cổng trên bộ chia. Từ đó bộ chia này có khả năng hỗ trợ các tính năng cao cấp như: cho phép quản lý từ xa thông qua các giao thức mạng, hỗ trợ hoạt động song công. Hình 1.5 mô tả các máy tính người dùng nối vào Hub. Nguồn: Hình 1.5. Mô tả các máy được nối với bộ chia 1.4.5.4. Bộ định tuyến (Router) Router là thiết bị kết nối các mạng LAN khác nhau ở các lớp 1, 2 và hoạt động tại lớp 3 trong mô hình chuẩn mở gồm 7 lớp (Open System Interconnection - OSI). Hầu hết các router làm việc với các giao thức không kết nối như IP. Router còn có có thể kết nối nhiều mạng sử dụng các giao thức khác nhau lại với nhau. Vì thế các chức năng cơ bản của Router là: truyền dữ liệu không kết nối, đánh địa chỉ IP cho các gói tin, tìm địa chỉ các máy host và định lộ trình cho các khung thông tin giúp chúng tới đích một cach nhanh nhất và không bị thất lạc thông tin, làm cho người sử dụng đầu cuối có cảm giác toàn Internet là thông suốt. Hình 1.6 mô tả một bộ định tuyến sử dụng trong thực tế. Nguồn: Hình 1.6. Bộ định tuyến trong thực tế 1.4.5.5. Bộ chuyển mạch (Switch) Bộ chuyển mạch là thiết bị dùng để kết nối các đoạn mạng với nhau theo mô hình mạng nào đó. Bộ chuyển mạch đóng vai trò là thiết bị trung tâm, tất cá các máy tính đều được nối về đây. Trong mô hình tham chiếu OSI, bộ chuyển mạch hoạt động ở tầng liên kết dữ liệu, ngoài ra có một số loại switch cao cấp hoạt động ở tầng mạng. Bộ chuyển mạch có nhiệm vụ chính là chuyển các gói dữ liệu đi tới cổng đã biết với tốc độ cao nhất mà switch đó có thể đạt được. Ngoài ra, ở một số bộ chuyển mạch cao cấp thì có tích hợp thêm một số ứng dụng khác như là: tường lửa, cân bằng tải hay định tuyến tìm đường đi cho gói dữ liệu và thiết lập các chính sách về gói liệu cho qua hay ngăn cản. Tuy nhiên, các thiết bị chuyển mạch loại này này thường rất đắt. Hình 1.7 mô tả một thiết bị chuyển mạch trong thực tế. Nguồn: Hình 1.7. Bộ chuyển mạch trong thực tế 1.4.5.6. Gateway Đây là một thiết bị được sử dụng để kết nối giữa các mạng sử dụng các giao thức khác nhau. Chẳng hạn như, việc kết nối giữa mạng IP và mạng điện thoại công cộng (Public Switched Telephone Network – PSTN). Hình 1.8 mô tả một thiết bị cổng chuyển đổi mạng trong thực tế. Nguồn: Hình 1.8. Network gateway 1.4.5.7. Thiết bị lặp (Repeater) Repeater là thiết bị chuyển tiếp để liên kết mạng nhằm mở rộng mạng, tức tăng năng lượng đường truyền, và hoạt động ở lớp vật lí là lớp 1 trong mô hình OSI 7 lớp. Điều này khẳng định rằng, hai môi trường truyền của hai mạng liên kết phải giống nhau.Chức năng của repeater bao gồm: tái tạo tín hiệu, cách ly lỗi, cho phép dùng hỗn hợp các loại cáp và hiển thị thông tin trạng thái liên mạng. Hình 1.9 mô tả một thiết bị lặp trong thực tế, [3]. Nguồn: Hình 1.19. Repeater 1.5. Kết luận Tóm lại, nội dung của Chương 1 đã nêu lên được bốn vấn đề cơ bản về mạng Internet, cụ thể là nêu lên được các khái niệm cơ bản cần phải biết về mạng Internet, thứ hai ta biết được nguồn gốc cũng như lịch sử phát triển của mạng Internet. Qua đó, nêu lên các ưu điểm của mạng Internet, cũng như các thành phần cơ bản trong mạng Internet. Chương tiếp theo sẽ giới thiệu mô hình kết nối mở OSI (Open System Interconnection), chức năng và nhiệm vụ chính của các lớp trong mô hình này, đồng thời nói lên mối tương quan giữa mô hình này với giao thức liên mạng IP. CHƯƠNG 2 MÔ HÌNH OSI VÀ MỐI LIÊN HỆ VỚI GIAO THỨC LIÊN MẠNG IP Nội dung Chương 2 sẽ trình bày các khái niệm về mô hình kết nối hệ thống mở OSI (Open System Interconnection) với mục tiêu kết nối các sản phẩm của nhiều hãng khác nhau. Mô hình OSI là giải pháp cho các vấn đề truyền thông tin và dữ liệu giữa máy tính với máy tính thông qua cấu trúc mạng đa tầng. Mỗi một tầng có cấu trúc và thực hiện một số chức năng truyền thông khác nhau, các tầng được xếp chồng lên nhau gọi là chồng giao thức để tiến hành truyền thông tin và dữ liệu một cách hoàn chỉnh. Nội dung Chương 2 gồm 2 phần: thứ nhất giới thiệu về mô hình hệ thống kết nối mở OSI gồm 7 lớp, nói lên cấu chúc, chức năng và nhiệm vụ của từng lớp trong mô hình hệ thống mở OSI. Từ đó, hiểu được cách truyền các gói dữ liệu giữa các máy tính với nhau. Đây là mô hình cơ bản nhất để từ đó phát triển thành mô hình TCP/IP là mô hình sử dụng trên Internet cho tới tận bây giờ và chưa có mô hình nào có thể thay thế nó được. Thứ hai là nói lên mối liên hệ giữa mô hình OSI và giao thức liên mạng IP, từ đó thấy tầm quan trọng của mô hình kết nối mở OSI trong mạng Internet. 2.1. Mô hình hệ thống mở OSI 2.1.1. Giới thiệu mô hình hệ thống mở OSI Mô hình tham chiếu OSI (Open System Interconnection) ra đời vào năm 1977 do tổ chức tiêu chuẩn hoá quốc tế ISO (International Organization for Standardization) hợp tác với bộ phận tiêu chuẩn viễn thông của ITU (International Telecommunication Union), nó là một tiến bộ quan trọng trong việc giảng dạy về lý thuyết mạng lưới truyền thông. Nó khuyến khích ý tưởng về một mô hình chung của giao thức tầng cấp, định nghĩa sự liên lạc giữa các thiết bị và kết nối mạng lưới truyền thông. Mô hình kết nối mở OSI này chỉ được ngành công nghiệp mạng và công nghệ thông tin tôn trọng một cách tương đối. Tính năng chính của nó là quy định về giao diện giữa các tầng cấp, tức quy định đặc biệt về phương pháp các tầng liên lạc với nhau. Điều này có nghĩa là cho dù các tầng cấp được thiết kế bởi các nhà sản xuất hoặc công ty khác nhau nhưng khi được lắp ráp lại qua mô hình OSI, chúng vẫn sẽ dung hòa và làm việc tốt với nhau. Mô hình OSI tổ chức các giao thức truyền thông thành 7 tầng, mỗi tầng giải quyết một phần của quá trình truyền thông, mỗi tầng sẽ có chức năng cụ thể của mình để phục vụ cho lớp liền trên hay lớp liền dưới với nó. Cụ thể 7 lớp của mô hình OSI được trình bày trong Hình 2.1. Nguồn: Hình 2.1. Mô hình chuẩn mở OSI 2.1.2. Cấu trúc và chức năng các lớp trong mô hình OSI 2.1.2.1. Lớp vật lý Lớp vật lý là lớp thấp nhất trong mô hình 7 lớp OSI đóng vai trò truyền thông tin qua môi trường truyền dẫn vật lý. Lớp này thực hiện chức năng liên quan đến các giao tiếp điện, cơ, quang để kích hoạt và duy trì các kết nối vật lý giữa các hệ thống mạng. Lớp vật lý giúp đảm bảo các yêu cầu về chuyển mạch hoạt động nhằm tạo ra các đường truyền thực giúp truyền và nhận các chuỗi bit thông tin được mã hóa dưới dạng tín hiệu số hoặc tín thiệu tượng tự. Có 2 loại giao thức truyền bit được sử dụng ở tầng vật lý là truyền bất đồng bộ và truyền đồng bộ. Truyền bất đồng bộ là khi mỗi ký tự được truyền đi sẽ bao gồm thêm bit start để đồng bộ với xung đồng hồ, cùng với 1 hay nhiều bit stop để thông báo truyền xong ký tự. Truyền đồng bộ là bên phát và thu cùng sử dụng chung 1 nguồn xung đồng hồ phát bởi 1 thiết bị hoặc từ nguồn ngoài. Truyền đồng bộ thường sử dụng trong khi truyền ở khoảng cách ngắn như trong 1 bo mạch. 2.1.2.2. Lớp liên kết dữ liệu Lớp liên kết dữ liệu là lớp 2 trong mô hình OSI, đóng vai trò chuyển các khung dữ liệu từ lớp mạng này sang lớp mạng kia mà không có lỗi thông qua lớp vật lý, dựa vào các cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu. Lớp này nhận các thông tin từ lớp trên rồi chia thông tin thành các khung thông tin, truyền các khung tuần tự đến bên nhận và xử lý các thông điệp xác nhận từ bên máy nhận gửi về. Sau đó, sẽ tháo gỡ bỏ các khung thành các chuỗi bit chuyển xuống lớp vật lý. Ở bên thu, nhiệm vụ của lớp 2 là ngược lại tức tái tạo chuỗi bit thành các khung thông tin và chuyển lên lớp trên. Để thực hiện hết các nhiệm vụ kể trên thì lớp liên kết dữ liệu phải có những chức năng sau: biết địa chỉ các thiết bị trên mạng, có khả năng phát hiện lỗi, điều khiển truy nhập đường truyền vật lý, biết được cấu trúc logic của mạng và điều khiển luồng dữ liệu. 2.1.2.3. Lớp mạng Lớp mạng nằm ở lớp 3 của mô hình mở OSI và được các chuyên gia mạng đánh giá là quan trọng trong mô hình OSI, nó thực hiện chức năng chọn đường đi cho các gói tin từ nguồn tới đích có thể trong cùng một mạng hoặc khác mạng với nhau. Vì thế, cấu trúc của lớp này là rất phức tạp, vì ở đây nó phải đáp ứng tất cả các đặc tính kỹ thuật khác nhau của nhiều kiểu mạng. Cùng với đó, là nó phải truyền nhiều loại hình dịch vụ khác nhau như: video, dữ liệu, hình ảnh. Do đó, có thể xem lớp mạng là lớp quan trọng nhất trong mô hình OSI. Lớp mạng sử dụng các thuật toán định tuyến các gói tin thông qua các nút mạng để truyền gói tin đi đến đích chính xác, mỗi nút mạng có 1 địa chỉ riêng. Lớp mạng còn chịu trách nhiệm đánh địa chỉ cụ thể cho mỗi gói tin và quyết định truyền gói tin theo đường đi nhất định nào đó, tùy theo mức độ ưu tiên của gói tin, tình hình trạng thái mạng hay một số yếu tố khác. Ngoài ra, lớp mạng còn quản lý lưu lượng trên toàn mạng như chuyển đổi gói và kiểm soát tắc nghẽn (có sự thay đổi kích thước các gói tin tại các nút mạng, cắt ra hoặc tái hợp lại để giảm bớt các bit không cần thiết). Từ đó, nó giúp các gói tin được truyền tải liên tục trên Internet. 2.1.2.4. Lớp truyền tải Lớp truyền tải là lớp cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở, nằm ở lớp 4 trong mô hình OSI và nó thực hiện chức năng kiểm soát việc truyền dữ liệu từ điểm tới điểm. Nó đóng vai trò trung gian giữa các lớp cao và các lớp thấp trong mô hình OSI, là nó phải đảm bảo cho các phương tiện được sử dụng ở các lớp dưới phải thông suốt với các lớp cao. Lớp truyền tải thực hiện việc chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn và đánh số các gói tin để đảm bảo việc truyền theo đúng thứ tự. Lớp này chịu trách nhiệm về độ an toàn của các gói tin trên mạng nên giao thức của lớp truyền tải phụ thuộc nhiều vào bản chất của lớp mạng. Đồng thời, lớp này còn gắn các địa chỉ port vào gói tin để phân biệt được các ứng d