Bài giảng Mạng máy tính – TS. Phạm Thanh Giang

TS. Phạm Thanh Giang ptgiang@ioit.ac.vn MẠNG MÁY TÍNH

Nội dung

1. Giới thiệu chung về mạng máy tính 2. Tầng vật lý 3. Tầng liên kết dữ liệu 4. Tầng mạng 5. Tầng giao vận 6. Tầng ứng dụng

Chương 1

Giới thiệu chung về mạng máy tính

 Mục đích của mạng máy tính:

◦ Dùng chung các tài nguyên như thiết bị, chương trình,

dữ liệu;

◦ Tăng độ tin cậy của hệ thống nhờ khả năng thay thế

khi xảy ra sự cố đối với một máy tính nào đó;

◦ Mở rộng khoảng cách.

Lịch sử phát triển của mạng máy tính

 Sự phát triển của viễn thông

◦ 1847 Telegraphic ◦ 1877 Telegraphic, Telephone ◦ 1940 Telegraphic, Telephone, Telex, Fax  Đầu thập kỷ 60 thế kỷ 20: Máy tính lớn

◦ CPU làm việc theo phương pháp phân chia thời gian. ◦ Một máy tính nối với nhiều thiết bị đầu cuối thụ động ◦ CPU làm nhiệm vụ:

 Xử lý thông tin  Điều khiển truyền tin như: quản lý các giao thức, quản lý đồng

bộ, quản lý hàng đợi.

Lịch sử phát triển của mạng máy tính

 Cuối của thập kỷ 60 và đầu thập kỷ 70: Kết nối

máy tính lớn với máy tính MINI ◦ Máy tính lớn  xử lý thông tin  Điều khiển các thiết bị ngoại vi

◦ Máy tính MINI

 Điều khiển truyền tin

◦ Mở rộng

 Bộ tập trung (Concentrator)  Bộ dồn kênh (Multiplexor)

Lịch sử phát triển của mạng máy tính

 Thập kỷ 70: Kết nối máy tính MINI với nhau  Mạng truyền thông ◦ Kênh truyền thông

 Kênh tương tự  Kênh số  Kênh trải phổ (cho mạng không dây)

◦ Nút mạng

 Trước đây: Máy tính MINI  Hiện tại: Bộ định tuyến (Router), Cổng lớn (Gateway), Chuyển

mạch (Switch)…

Lịch sử phát triển của mạng máy tính

 Sự ra đời mạng cục bộ LAN (Local Area Network)

◦ 1976: Metcalfe and Boggs nối các máy tính Micro ◦ 1978: DEC, Intel, and Xerox phác thảo chuẩn DIX ◦ Đầu thập kỷ 80: Ethernet, IEEE 802.3

 Sự ra đời của mạng Internet

◦ 1969: ARPANET (Advanced Reseach Project Agency NET):

Kết nối mạng gồm 4 nút

◦ 1973: Thử nghiệm kết nối các mạng khác nhau từ California,

xuất hiện vấn đề liên mạng

◦ 1974: Nghiên cứu phát triển TCP/IP ◦ 1977: Thử nghiệm kết nối 4 mạng tại Mỹ ◦ 1983: Kết nối mạng ARPANET và NSFNET ở Mỹ trên nền

TCP/IP

◦ 1986: Kết nối mạng trục bằng cáp quang tốc độ từ 448 kbps,

1,5Mbps…

◦ 1990: Nâng cao tốc độ mạng trục, Thương mại Internet (Internet

Society), Dịch vụ Web

Một số khái niệm mạng

 Mạng (network)

◦ Là tập hợp các thiết bị hay các nút mạng kết nối với nhau thông qua kênh truyền thông.

 Nút mạng (node)

◦ Có thể là máy tính, máy in hay bất kỳ thiết bị nào có khả năng gửi hoặc/và nhận dữ liệu từ các nút khác trên mạng  Kênh truyền thông (Communication link)

◦ Là đường truyền dữ liệu từ nút mạng này tới nút mạng khác

Kiểu kết nối

◦ Kết nối điểm – điểm (Point-to-point)

 Chỉ hai nút mạng kết nối thông qua kênh truyền thông

◦ Đa điểm (Multipoint)

 Nhiều hơn hai nút mạng kết nối thông qua kênh truyền thông

Kiểu kết nối

Truyền dữ liệu

 Thông điệp (Message): Thông tin/dữ liệu được trao đổi.  Bên gửi (Sender): Thiết bị truyền dữ liệu/gói tin ◦ A computer, a workstation, video camera, etc.  Bên nhận (Receiver): Thiết bị nhận dữ liệu/gói tin ◦ A computer, a workstation, a Television, etc.

 Phương tiện truyền thông (Transmission medium): Đường kết nối vật lý cho phép gói tin di chuyển từ bên gửi đến bên nhận ◦ Twisted pair, coaxial cable, optical fiber, radio waves.  Giao thức (Protocol): tập luật điều khiển việc trao đổi dữ liệu

Kiểu kết nối

 a. Đơn công (Simplex)

◦ Kiểu kết nối một chiều. Một bên luôn là bên gửi và bên kia

luôn là nhận

◦ Ex.: Keyboards and traditional monitors

Kiểu kết nối

 b. Bán song công (Half-Duplex)

◦ Mỗi trạm vừa có thể là gửi và nhận nhưng không đồng thời ◦ Ex.: Walkie-talkies

Kiểu kết nối

 c. Song công (Full-Duplex)

◦ Mỗi trạm vừa có thể là gửi và nhận đồng thời ◦ Ex.: Telephone network

Hình trạng mạng Network Topology

Phân loại mạng theo hình trạng (topo)

 Hình sao (star)

◦ Mỗi nút mạng kết nối theo kiểu điểm điểm về trung tâm (hub).

◦ Nút gửi sẽ truyền dữ liệu tới trung tâm và trung tâm sẽ chuyển tiếp tới nút nhận ◦ Ex.: often used with LANs

Phân loại mạng theo hình trạng (topo)

 Dạng vòng (ring)

◦ Mỗi nút kết nối điểm-điểm tới hai

nút hai bên.

◦ Tín hiệu được truyền trong vòng theo 1 hướng lần lượt qua các nút trung gian cho tới khi tới đich.

◦ Mỗi nút mạng là một bộ lặp

khuếch đại tín hiệu nhận được và gửi tới nút tiếp theo

◦ Ex.: IBM LAN (Token Ring).

Phân loại mạng theo hình trạng (topo)

 Mesh

◦ Mỗi nút kết nối với mọi nút khác

theo kiểu điểm – điểm

◦ Ex.: connection of telephone

regional offices that need to be connected to every other regional office.

Phân loại mạng theo hình trạng (topo)

 Bus

◦ Dựa trên kiểu kết nối đa điểm (multipoint). ◦ Một dây cáp trục chính kết nối với tất cả các nút trong mạng. ◦ Ex.: used in the design of earlier LANs

Phân loại mạng theo phương pháp chuyển mạch

 Mạng chuyển mạch theo kênh (Circuit

Switching Network)

Phân loại mạng theo phương pháp chuyển mạch

 Mạng chuyển mạch theo tin báo (Message Switching

Network) ◦ Cấu trúc của tin báo:  Phần đầu (Header)  Phần thân (Core)  Phần đuôi (Trail) ◦ Xử lý tin báo tại nút:  Lưu trữ tin báo  Phân tích tin báo  Quản lý truyền tin (kiểm tra lỗi, kiểm soát đường truyền để tránh tắc

nghẽn)

◦ Nhược điểm: do tin báo có độ dài không đều nên gây

 Lãng phí bộ đệm lưu trữ tại các nút  Tỷ lệ lỗi trong truyền tin lớn

Phân loại mạng theo phương pháp chuyển mạch

 Mạng chuyển mạch theo gói (Packet Switching

Network) ◦ Cấu trúc của gói tin:  Phần đầu (Header)  Phần thân (Core)  Phần đuôi (Trail)

◦ Gói tin có độ dài giống nhau ◦ Hai loại mạng chuyển mạch theo gói  Mạng chuyển mạch gói kiểu kênh ảo  Mạng chuyển mạch gói kiểu Datagram

 Có các mã cho phép trạm đích tập hợp các gói tin thành bản tin  Các gói có thể được truyền độc lập với nhau  Các gói của các tin báo khác nhau có thể được truyền trên cùng một kênh

truyền.

Phân loại mạng theo khoảng cách

 Mạng cục bộ LAN (Local Area Networks)  Mạng đường dài WAN (Wide Area Networks)  Mạng trong thành phố MAN (Metropolitant

Area Network).

Phân loại mạng theo khoảng cách LAN

 Mạng cục bộ LAN là mạng truyền thông giữa các thiết bị

và xử lý thông tin trong một khu vực nhỏ.

 Các thông số đặc trưng của LAN

◦ Phạm vi của mạng: bán kính 0,1 m đến 5 km ◦ Tốc độ truyền dữ liệu cao  1982: Ethernet 10 Mbps  1994: Fast Ethernet 100 Mbps  1998: GigaEthernet 1Gbps

◦ Tỷ lệ sai số nhỏ so với mạng đường dài (10-7 đến 10-11)

Phân loại mạng theo khoảng cách LAN

Phân loại mạng theo khoảng cách WAN

 Mạng WAN là mạng truyền thông liên kết các thiết bị

và xử lý thông tin trong phạm vi rộng.  Các thông số đặc trưng của mạng WAN

◦ Phạm vi của mạng rộng (mạng tính chất quốc gia, và quốc tế) ◦ Tốc độ truyền dữ liệu phụ thuộc vào đường truyền  Thập kỷ 60-70 dùng modem 2.4 Kbps ->4.8 Kbps  1976: Mạng truyền số liệu X25, tốc độ 64 Kbps.  1984: Mạng ISDN băng hẹp: tốc độ 2*64 Kbps = 128 Kbps.  1991: Mạng Frame Relay: tốc độ 2 Mbps.  1993: Mạng ATM, tốc độ 155Mbps đến 622 Mbps.

◦ Tỷ lệ lỗi cao (10-4 , 10-5) vì phải truyền trong môi trường có nhiều

nhiễu.

Phân loại mạng theo khoảng cách WAN

 Switched WAN

◦ Kết nối thông qua router

◦ Ex.: X25 an early switched WAN. The backbone that connect the Internet. ATM.

 Point-to-point WAN

◦ Kết nối thông qua kênh dành riêng.

◦ Ex.: the simple dial-up line that connects a home computer to the Internet.

Phân loại mạng theo khoảng cách MAN

 Mạng MAN là mạng trung gian giữa mạng

WAN và mạng LAN, sử dụng trong phạm vi thành phố.

 Các tính chất đặc trưng của mạng MAN

◦ Phạm vi hoạt động ◦ Tốc độ ◦ Chức năng

Phân loại mạng theo khoảng cách MAN

Internet

 Là mạng của mạng, kết nối của hàng trăm nghìn mạng riêng,

tổ chức, vùng,…

 Tạo thành bởi rất nhiều các mạng WANs, LANs kết nối với

nhau thông qua các cầu nối.

 Có kiến trúc phân tầng dựa trên giao thức TCP/IP.  Người dùng muốn kết nối Internet phải thông qua các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP - Internet Service Provider).

 ISPs hierarchy

◦ International ISPs (top level): connect nations together. ◦ National ISPs (second level): -like Nesma, AwalNet, etc.,- are backbone networks created and maintained by specialized companies.  They are connected by complex switching stations called NAPs (Network

Access Points)

◦ Regional ISPs (third level): small ISPs that are connected to one or

more national ISPs.

◦ Local ISPs (last level): which provide direct access to end users.

They are connected to regional ISPs or directly to national ISPs.

Internet

Phân loại mạng theo mô hình sử dụng

 Mạng mô hình ngang hàng (Peer To Peer)  Mạng mô hình khách chủ (Client/Server)  Mạng mô hình tập trung (Central )

Phân loại mạng theo mô hình sử dụng

 Mạng mô hình ngang hàng  Đặc điểm mạng ngang hàng LAN:

◦ Mỗi máy tính hoạt động như máy chủ và máy

khách Sử dụng trong các mạng nhỏ (<10 user)

◦ ◦ An ninh thấp ◦ Không có quản trị tập trung

 Mạng ngang hàng trên Internet, Ví dụ mạng

đấu thầu trực tuyến

Phân loại mạng theo mô hình sử dụng

 Mạng mô hình khách chủ

◦ Trong mạng phải có máy tính làm Server ◦ An ninh cao

 Người quản trị cấu hình cho an ninh chung  Người quản trị điều khiển truy nhập chung  Sử dụng dịch vụ thư mục:  Nguồn tài nguyên tập trung  Sử dụng dịch vụ thư mục để lưu thông tin về mạng và người dùng  Đăng nhập vào dịch vụ thư mục thay vì đăng nhập vào từng máy

◦ Sao lưu dễ dàng ◦ Giảm lưu lượng

Phân loại mạng theo mô hình sử dụng

 Mạng mô hình tập trung

◦ Tương tự mô hình khách/chủ nhưng máy

khách chỉ là các thiết bị đầu cuối ◦ Tất cả các ứng dụng xử lý ở Server ◦ Server phải có cấu hình mạnh ◦ Độ an ninh cao

Vấn đề chuẩn hóa mạng

 Lý do chuẩn hóa mô hình mạng: Nhiều công ty sản xuất máy tính xây dựng mạng riêng từ đó dẫn đến tình trạng không tương thích giữa các mạng về ◦ Phương pháp truy nhập ◦ Phương tiện truyền dẫn ◦ Giao thức

Một số tổ chức liên quan tới chuẩn hóa mạng và các chuẩn chính  Tổ chức tiêu chuẩn quốc tế ISO (International

Standard Organzation)  Chuẩn chính sẽ tìm hiểu

◦ Mô hình tham chiếu 7 tầng OSI (Open System Interconnection). ◦ Điều khiển liên kết dữ liệu tầng cao HDLC (High Lelvel Data

Link Control).

Một số tổ chức liên quan tới chuẩn hóa mạng và các chuẩn chính

 Ủy ban tư vấn quốc tế về điện tín và điện thoại CCITT (Consultative Committee International For Tetegraphe and Telephone)

Ban chuẩn viễn thông ITU-T

(Telecommunication Standardization Sector)

Của Hiệp hội viễn thông Quốc tế ITU

(International Telecommunication Union)

Một số tổ chức liên quan tới chuẩn hóa mạng và các chuẩn chính  Chuẩn chính sẽ tìm hiểu

◦ Loạt tiêu chuẩn ký hiệu V - là loạt các chuẩn phục vụ cho việc truyền số liệu bằng tín hiệu tương tự qua đường điện thoại (Modem Telephone Network)  V24 Giao diện giữa máy tính và mô đem

◦ Loạt tiêu chuẩn X - phục vụ cho việc truyền số liệu bằng tín hiệu số và định nghĩa giao diện với mạng số liệu công cộng. (Public Data Network).  X.21 là chuẩn cho đơn vị đầu cuối của mạng.

◦ Loạt tiêu chuẩn I - định nghĩa giao diện với mạng ISDN

(Integrated Services Digital Network).

Một số tổ chức liên quan tới chuẩn hóa mạng và các chuẩn chính  Một số tổ chức khác

◦ Ban đặc nhiệm về kỹ thuật Internet IETF (Internet

Engineering Task Force):  RFC (Request For Comment): là các công bố (bản nháp hay

chuẩn chính thức của Internet)

◦ Viện kỹ nghệ điện và điện tử IEEE (Institute of

Electrical and Electronic Engineering).  Loạt chuẩn 802.x cho mạng cục bộ LAN.

◦ Hiệp hội công nghiệp điện tử EIA (Electronics

Industry Association)  Chuẩn RS.(RS-232C)

Mô hình OSI

- Tổ chức ISO phát triển và công bố Mô hình OSI (ISO -

7498 ) vào năm 1984

 Người ta đưa ra 5 nguyên tắc xây dựng mô hình mạng

chuẩn: ◦ Một tầng sẽ được tạo ra nếu phải mô tả theo một mức trừu tượng

nào đó;

◦ Chức năng của mỗi tầng phải được định nghĩa rõ ràng; ◦ Chức năng của mỗi tầng phải được chọn sao cho phù hợp với

giao thức mạng đã được chuẩn hoá quốc tế;

◦ Giao diện giữa các tầng phải được chọn sao cho luồng thông tin

đi qua giao diện là ít nhất;

◦ Số tầng không được quá nhiều để cho kiến trúc của mạng cồng kềnh phức tạp. Nhưng số tầng cũng không nên quá ít để trong một tầng có quá nhiều chức năng khác nhau;

Mô hình OSI

Tổ chức ISO phát triển và công bố Mô hình OSI (ISO -7498 ) vào năm 1984

 Mô hình 7 tầng

Mô hình OSI

Truyền dẫn nhị phân • Dây, đầu nối, điện áp • Tốc độ truyền dữ liệu • Phương tiện truyền dẫn • Chế độ truyền dẫn (simplex, half-duplex, full-duplex)

Physical Layer

 Responsible for movements of individual bits from one hop (node) to the

next over the physical medium. ◦ Physical characteristics of interface and medium

 Defines the characteristics of the interface and between the devices and the

transmission medium.

 Defines the type of transmission medium.

◦ Representation of bits.

 Defines the type of encoding bits into signals –electrical or optical.

◦ Data rate.

 Defines the number of bits sent in each second.

◦ Synchronization of bits.

 The sender and the receiver clocks to be synchronized.

◦ Line configuration.

 Connection of the device to the media (point-to-point or multipoint configuration)

◦ Physical topology.

 Defines how the devices are connected to make a network (mesh, bus, etc.)

◦ Transmission mode.

 Defines the direction of the transmission (simplex, half-duplex, etc.).

Mô hình OSI

Điều khiển liên kết, truy xuất đường truyền • Đóng Frame • Ghi địa chỉ vật lý • Điều khiển luồng • Kiểm soát lỗi, thông báo lỗi

Data link Layer

◦ Responsible for moving frames from one hop (node) to the next.

 Framing.

 Divides the stream of bits received from the network layer into frames.

 Physical addressing.

 Adds a header to the frame to define the sender, and/or the receiver of the frame.

• If the frame is intended for a system outside the sender’s system, the address is of the device that connects

the network to the next

 Flow control.

 Imposes a flow control mechanism to avoid overwhelming the receiver.

 Error control.

 Adds reliability to the physical layer by adding mechanisms to detect and retransmit damaged or lost frames (achieved normally through the trailer). Detect also duplicate frames.

 Access control.

 Determines which device has control over the link at any time when two or more

devices are connected to the same link.

Data Link Layer (cont’d)

 Ex. Hop-to-hop delivery

◦ Communication at the data link layer occurs between adjacent nodes.

◦ Three partial delivery are made to send data from A to F.

◦ First, the data link layer of A sends a frame to the data link layer at B (router).

◦ The data link layer at B sends a new frame to the data link layer at E.

◦ Finally, the data link layer at E sends a new frame to the data link layer of F.

◦ The frame exchanged between the three nodes have different values in the

headers (the trailers can also be different).

Mô hình OSI

Địa chỉ mạng và xác định đường đi tốt nhất • Tin cậy • Địa chỉ luận lý, topo mạng • Định tuyến (tìm đường đi) cho gói tin

Network Layer

 Responsible for

the delivery of

individual packets from the source host to the destination host possibly across multiple networks. ◦ Logical addressing.

 Need to use another addressing system to distinguish the source and destination systems when the packet passes the network boundary. This logical address will be included in the header added by the network layer.

◦ Routing.

the devices connecting networks

forming

 Provides the mechanism to route (or switches) packets in an internetwork to their final destination. Routers (or switches) are the internetwork.

Network Layer (cont’d)

 EX.: source-to-destination delivery

◦ The network layer at A sends the packet to the network layer at B. ◦ The router B using its routing table, will then decides (based on the final

destination (F) of the packet) that the next hop will be the router E. ◦ The network layer at B, sends then the packet to the network layer at E. ◦ The network layer at E will, turn, send the packet to the network layer F.

Mô hình OSI

Kết nối end-to-end • Vận chuyển giữa các host • Vận chuyển tin cậy • Thiết lập, duy trì, kết nối các mạch ảo • Phát hiện lỗi, phục hồi thông tin và điều khiển luồng

Transport Layer

◦ Responsible for the delivery of a message from one process (running program) to another. Whereas the network layer provides the source-to-destination delivery, the transport layer provides the process-to-process delivery.  Service-point addressing.

 Gets the entire message to the correct process on the destination computer. The transport layer header must therefore include a service-point address (or port address).

 Segmentation and reassembly.

 Divide messages into segments and reassemble them into the original message.

 Connection control.

 Provides a connection or connectionless oriented service.

 Flow control.

 Provides an end-to-end flow control.

 Error control.

 Provides a process-to-process error control of entire messages (no loss,

duplication, damage).

Mô hình OSI

Truyền thông liên host • Thiết lập, quản lý và kết thúc các phiên giữa các ứng dụng

Session Layer

◦ Responsible

for

the

dialog

control

and

synchronization.  Dialog control.

 Allows two systems to enter into a dialog. • Half-duplex or full-duplex process communication

 Synchronization.

 Allows a process to add checkpoints, or synchronization points,

to a stream of data.

Mô hình OSI

Trình bày dữ liệu • Định dạng dữ liệu • Cấu trúc dữ liệu • Mã hóa • Nén dữ liệu

Presentation layer

 Responsible for translation, compression,

and encryption. ◦ Translation.

 Allow interoperability of two computers using different

encoding methods.

◦ Encryption.

 To ensure privacy, sensitive

information will be

encrypted. ◦ Compression.

 Allows reducing the number of bits contained in the

information (ex. audio).

Mô hình OSI

Các quá trình mạng của ứng dụng • Xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI • Cung cấp các dịch vụ mạng cho các ứng dụng như email, truyền file…

Application Layer

 Responsible for providing services to the user. ◦ File transfer, access and management.

 Access/retrieve/manage files in a remote host

◦ Mail services.

 Provides the basis for e-mails forwarding and storage.

Mô hình OSI

Những lớp này chỉ tồn tại trong máy tính nguồn và máy tính đích

Mô hình OSI

Những lớp này quản lý thông tin di chuyển trong mạng LAN hoặc WAN giữa máy tính nguồn và máy tính đích

Mô hình OSI

Mô hình TCP/IP

Mô hìnhTCP/IP

Lớp ứng dụng

Kiểm soát các giao thức lớp cao, các chủ đề về trình bày, biểu diễn thông tin, mã hóa và điều khiển hội thoại. Đặc tả cho các ứng dụng phổ biến.

Lớp vận chuyển

Cung ứng dịch vụ vận chuyển từ host nguồn đến host đích. Thiết lập một cầu nối luận lý giữa các đầu cuối của mạng, giữa host truyền và host nhận.

Lớp Internet

Mục đích của lớp Internet là chọn đường đi tốt nhất xuyên qua mạng cho các gói dữ liệu di chuyển tới đích. Giao thức chính của lớp này là Internet Protocol (IP).

Lớp truy nhập mạng

Định ra các thủ tục để giao tiếp với phần cứng mạng và truy nhập môi trường truyền. Có nhiều giao thức hoạt động tại lớp này

Bài giảng Mạng máy tính – TS. Phạm Thanh Giang