Bài giảng Mạng và truyền số liệu: Phần 1 – ĐH Thái Nguyên

Chia sẻ: Kiếp Này Bình Yên | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:136

Thêm vào BST

Báo xấu

98
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng Mạng và truyền số liệu có cấu trúc gồm 8 chương và được chia thành 2 phần. Phần 1 sau đây sẽ trình bày các nội dung từ chương 1 đến chương 4 như: Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu, sự truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn dữ liệu, giao tiếp liên kết dữ liệu, tầng mạng. Mời các bạn cùng tham khảo.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Mạng và truyền số liệu: Phần 1 – ĐH Thái Nguyên

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BÀI GIẢNG MẠNG VÀ TRUYỀN SỐ LIỆU
THÁI NGUYÊN, NĂM 2010 1
MỤC LỤC Chương 1. Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu 6 1.1 Mô hình truyền thông 6 1.2 Truyền thông dữ liệu 8 1.3 Kết nối mạng truyền thông dữ liệu 9 1.4 Các giao thức và kiến trúc giao thức 12 1.5 Chuẩn hóa mạng 23 Chương 2. Sự truyền dẫn và phương tiện truyền dẫn dữ liệu 24 2.1 Truyền dẫn dữ liệu 24 2.2.1 Các khái niệm và thuật ngữ cơ bản 24 2.1.2 Sự suy yếu của tín hiệu truyền 29 2.2 Phương tiện truyền dẫn 32 2.2.1 Cáp xoắn đôi (Twisted Pair) 33 2.2.2 Cáp đồng trục 35 2.2.3 Sợi quang 37 2.2.4 Vi ba mặt đất: 40 2.2.5 Vi ba vệ tinh: 42 2.2.6 Sóng Radio: 46 2.3. Các chuẩn giao tiếp vật lý 47 2.3.1. Giao tiếp IEA – 232D/V24 47 2.3.2. Modem rỗng (null modem) 50 2.3.3. Giao tiếp EIA-530 52 2.3.4. Giao tiếp X21 52 2.3.5. Giao tiếp ISDN 53 Chương 3. Giao tiếp liên kết dữ liệu 54 3.1. Các khái niệm cơ bản về truyền số liệu 54 3.1.1. Các chế độ truyền thông 54 3.1.2. Các chế độ truyền 54 3.1.3. Kiểm soát lỗi 55 3.1.4. Điều khiển luồng 56 3.1.5. Các giao thức liên kết dữ liệu 56 3.1.6. Mã truyền 57 3.1.7. Các đơn vị dữ liệu 57 3.1.8. Giao thức 58 2
3.1.9. Hoạt động kết nối 58 3.1.10. Đường nối và liên kết 58 3.2. Thông tin nối tiếp không đồng bộ 58 3.2.1. Khái quát 58 3.2.2. Nguyên tắc đồng bộ bit 59 3.2.3. Nguyên tắc đồng bộ ký tự 59 3.2.4. Nguyên tắc đồng bộ frame 59 3.3. Thông tin nối tiếp đồng bộ 60 3.3.1. Khái quát 60 3.3.2. Nguyên tắc đồng bộ bit 60 3.3.3. Truyền đồng bộ thiên hướng ký tự 61 3.3.4. Truyền đồng bộ thiên hướng bit 63 3.4. Phát hiện và sửa lỗi 66 3.4.1. Các kiểu lỗi 66 3.4.2. Phát hiện sai trong truyền số liệu 68 3.3.3. Sửa sai trong truyền số liệu 77 3.3.4. Mã nén dữ liệu 82 3.5. Các giao thức cửa sổ trượt 83 3.5.1. ARQ dừng và chờ (Stop and Wait ARQ) 83 3.5.2. Trở lại N - ARQ (Go back - N - ARQ) 84 3.6. Mạch điều khiển truyền số liệu 86 3.6.1. Khái quát 86 3.6.2. Giao truyền có thể lập trình UART 8250 của Intel 90 3.7. Các thiết bị điều khiển truyền số liệu 91 3.7.1. Khái quát 91 3.7.2. Bộ ghép kênh phân thời 92 3.7.3. Bộ ghép kênh thống kê 92 3.8. Một số giao thức liên kết dữ liệu 93 3.8.1. Giao thức HDLC (High level data link control) 93 3.8.2. Giao thức BSC (Binary Synchonous Communication) 95 3.8.3. Giao thức PPP 96 Chương 4. Tầng mạng 99 4.1. Vai trò của tầng mạng 99 4.2. Các dịch vụ cung cấp cho tầng mạng 99 3
4.3. Tổ chức các kênh truyền tin trên mạng 100 4.3.1. Kênh ảo (virtual circuit) 100 4.3.2. Mạng Datagram 100 4.4. Các kỹ thuật định tuyến trên mạng 101 4.4.1. Các phương pháp định tuyến trong mạng chuyển mạch kênh 101 4.5. Vấn đề tắc nghẽn và điều khiển luồng dữ liệu 116 4.5.1. Vấn đề tắc nghẽn 116 4.5.2. Điều khiển luồng (Flow Control) 117 Chương 5. Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network) 118 5.1 Những kiến thức cơ bản 118 5.1.1 Cấu trúc tôpô của mạng 118 5.1.2 Các phương thức truy nhập đường truyền 120 5.2 Công nghệ Ethernet 129 5.2.1 Giới thiệu chung về Ethernet 129 5.2.2 Các đặc tính chung của Ethernet 129 5.2.4 Hoạt động của Ethernet 132 5.2.3 Các loại mạng Ethernet 134 5.3 Các kỹ thuật chuyển mạch trong LAN. 135 5.3.1 Phân đoạn mạng trong LAN 135 5.3.2 Các chế độ chuyển mạch trong LAN 139 5.3.3 Mạng LAN ảo (VLAN) 140 Chương 6. Mạng diện rộng WAN 144 6.1 Khái niệm về WAN 144 6.1.1 Mạng WAN là gì ? 144 6.1.2 Các lợi ích và chi phí khi kết nối WAN. 145 6.1.3 Những điểm cần chú ý khi thiết kế WAN 146 6.2 Một số công nghệ kết nối cơ bản dùng cho WAN 147 6.2.1 Mạng chuyển mạch kênh (Circuit Swiching Network) 147 6.2.2 Mạng chuyển gói (Packet Switching Network) 160 6.2.3 Kết nối WAN dùng VPN 169 6.3 Các thiết bị dùng cho kết nối WAN 170 6.3.1 Router (Bộ định tuyến) 170 6.3.2 Chuyển mạch WAN 174 6.3.3 Access Server 174 4
6.3.4 Modem 176 6.3.5 CSU/DSU 178 6.3.6 ISDN terminal Adaptor 179 6.4 Đánh giá và so sánh một số công nghệ dùng cho kết nối WAN. 179 Chương 7. Họ giao thức TCP/IP và mạng Internet 181 7.1 Lịch sử phát triển củaTCP/IP và mạng Internet 181 7.2 Giao thức TCP/IP 182 7.2.1 So sánh giao thức TCP/IP và mô hình 7 lớp OSI 183 7.2.2 Giao thức liên mạng IP 184 7.2.3 Giao thức TCP 199 7.2.4 Giao thức UDP 205 7.3.1 Tổ chức của Internet 206 7.3.2 Một số phương thức kết nối Internet phổ biến : 208 7.3.3 Các dịch vụ thông dụng của Internet 209 Chương 8. Mạng thế hệ mới (NGN – Next Generation Network) 212 8.1 Các động lực thúc đẩy sự phát triển của mạng NGN 212 8.1.1 Động lực của sự hội tụ và kết hợp mạng 212 8.1.2 Động lực của công nghệ 212 8.1.3 Động lực thị trường 213 8.1.4 Động lực dịch vụ 213 8.2 Giới thiệu chung về NGN 214 8.2.1 Khái niệm mạng thế hệ sau NGN 214 8.2.2 Mục tiêu của mạng thế hế sau NGN 215 8.2.3 Đặc điểm cơ bản của mạng NGN 215 8.3 Mô hình chức năng 216 8.3.1 Các chức năng 217 8.3.2 Tài nguyên mạng 218 8.4 Kiến trúc NGN 218 8.5 Các thành phần cơ bản của NGN 221 8.5.1 Chuyển mạch mềm (Softswitch) 221 8.5.2 Media Gateway - MG 221 8.5.3 Signalling gateway 221 8.5.4 Application server 222 5
8.5.5 Media Server 222 8.6 Các công nghệ được áp dụng cho NGN 222 8.6.1 Các công nghệ áp dụng cho lớp mạng chuyển tải 222 8.6.2 Công nghệ áp dụng cho lớp mạng truy nhập 222 8.7 Dịch vụ của NGN 222 8.7.1 Các dịch vụ NGN 222 8.7.2. Đặc điểm của các dịch vụ mạng NGN 223 8.8 Giao diện kết nối của NGN 224 8.8.1 Kết nối tới PSTN 226 8.8.2 Kết nối tới PLMN 227 8.8.3 Kết nối tới mạng riêng ảo VPN 227 6
Chương 1. Giới thiệu về mạng truyền dữ liệu 1.1 Mô hình truyền thông Một mô hình truyền thông cơ bản được minh họa như hình 1.1a dưới đây Hình 1.1. Mô hình truyền thông đơn giản Mục đích chính của một hệ thống truyền thông là sự trao đổi dữ liệu giữa hai đối tượng truyền thông. Hình 1.1 b thể hiện một ví dụ cụ thể về mô hình truyền thông, đó là sự trao đổi dữ liệu giữa một máy chủ và một máy trạm qua mạng điện thoại công cộng. Những thành phần quan trọng của hệ thống truyền thông trên hình 1.1 bao gồm: a. Thiết bị nguồn (Source): Thiết bị này tạo ra những dữ liệu để được truyền đi; như là những chiếc điện thoại hay máy tính cá nhân (PC) b. Máy phát Dữ liệu được tạo ra bởi một nguồn tin thường không được truyền ngay với dạng ban đầu được tạo ra, mà nó thường được bộ phát chuyển đổi và mã hóa thành dạng tín hiệu điện từ trường để truyền qua các hệ thống truyền dẫn. Ví dụ như hình vẽ 1.1b ta thấy Modem là một máy phát, nó chuyển dòng bit (tín hiệu số) từ máy tính cá nhân thành tín hiệu tương tự để truyền qua mạng điện thoại công cộng (PSTN). c. Hệ thống truyền dẫn 7
Hệ thống truyền dẫn có thể là một đường truyền đơn hoặc là một mạng lưới kết nối thiết bị nguồn và đích. d. Máy thu Máy thu thực hiện việc thu tín hiệu từ hệ thống truyền dẫn và chuyển đổi nó sang dạng tín hiệu mà thiết bị đích sử dụng được. Từ hình vẽ 1.1b ta cũng thấy Modem nhận tín hiệu tương tự đến từ mạng PSTN và chuyển đổi ngược sang dòng tín hiệu số (các bit thông tin) e. Thiết bị đích Thiết bị đích nhận dữ liệu của thiết bị nguồn đã truyền qua mạng tại từ bộ thu. Trên đây chỉ là những ý niệm đơn giản về một mạng truyền thông, còn thực tế thì hệ thống mạng truyền thông bao hàm rất nhiều tính phức tạp về kỹ thuật. Để biết được một số ý tưởng về phạm vi của sự phức tạp này ta xem bảng 1.1, đó là những nhiệm vụ chính cần được thực thi trong một hệ thống truyền thông dữ liệu. STT Nhiệm vụ STT Nhiệm vụ 1 Sự sử dụng hệ thống truyền dẫn 8 Định địa chỉ mạng 2 Giao diện 9 Định tuyến 3 Sự tạo tín hiệu 10 Khôi phục 4 Sự đồng bộ 11 Định dạng bản tin 5 Quản lý giao dịch 12 Bảo mật 6 Phát hiện và sửa lỗi 13 Quản lý mạng 7 Điều khiển luồng dữ liệu Vấn đề đầu tiên đó là sự sử dụng hệ thống truyền dẫn, nó liên quan đến việc sử dụng hiệu quả các phương tiện truyền dẫn để chia sẻ giữa một số lượng lớn các thiết bị truyền thông. Có một số kỹ thuật được sử dụng để nâng cao hiệu suất sử dụng đường truyền, hay nâng cao dung lượng đường truyền. Các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn cũng được ứng dụng để đảm bảo cho hệ thống không bị quá tải bởi các yêu cầu của các dịch vụ truyền dẫn. Để truyền tin thì một thiết bị cần thiết phải có những “giao diện” với hệ thống truyền dẫn. Tất cả các dạng truyền thông được nghiên cứu trong giáo trình này đều phụ thuộc vào việc sử dụng các tín hiệu điện từ trường mà được truyền qua các phương tiện truyền dẫn. Do đó khi một giao diện được thiết lập thì sự truyền thông yêu cầu cần có “sự tạo tín hiệu”. Các đặc tính của tín hiệu như là dạng tín hiệu, cường độ tín hiệu cần có khả năng truyền qua hệ thống truyền dẫn, và có thể chuyển đổi thành dữ liệu ở máy thu. 8
Không chỉ có tín hiệu dữ liệu được truyền trong hệ thống truyền dẫn và máy thu mà còn cần một số dạng tín hiệu “đồng bộ” giữa máy phát và máy thu. Máy thu cần có thể xác định được tín hiệu lúc bắt đầu và khi nó kết thúc, cũng như biết được chiều dài của mỗi thành phần tín hiệu. Ngoài những vấn đề cơ bản trong việc lựa chọn tính chất, sự quyết định thời gian của các tín hiệu thì còn một số yêu cầu để truyền thông giữa hai đối tượng là cần phải có sự “quản lý giao dịch”. Nếu như dữ liệu được chuyển đổi ở cả hai hướng trong một khoảng thời gian thì cả hai đối tượng cần phải có sự kết hợp với nhau trong việc truyền thông. Ví dụ như, khi có sự trao đổi thoại giữa hai bên gọi và bên được gọi thì quy trình kết hợp được thực hiện như sau: đầu tiên bên gọi cần phải bấm số cần gọi, tạo tín hiệu để tổng đài biết và tạo tín hiệu chuông đến bên bị gọi; Còn bên bị gọi cần nhấc ống nghe điện thoại mới hoàn thành kết nối giữa hai bên,… Một vấn đề nữa trong hệ thống truyền thông đó là “sự dò và sữa lỗi”. Bởi vì trong tất cả các hệ thống truyền thông luôn tồn tại một số loại lỗi; các tín hiệu được truyền thường bị nhiễu trên đường truyền làm cho “méo” trước khi đến được đích. Và vấn đề điều khiển luồng cũng cần được quan tâm để đảm bảo rằng nguồn tin không làm cho nơi nhận tin bị “tràn” dữ liệu bởi dữ liệu đến nhanh hơn khả năng xử lý và nhận tin của nơi nhận. Tiếp theo chúng ta đề cập đến hai khái niệm khác nhau là “định địa chỉ” và “định tuyến”. Khi một phương tiện truyền dẫn được chia sẻ bởi nhiều thiết bị thì một hệ thống nguồn cần biết chính xác đích (địa chỉ) cần đến. Hệ thống truyền dẫn cần đảm bảo nơi thu nhận được dữ liệu. Hơn nữa hệ thống truyền dẫn có thể là một mạng trong đó có rất nhiều tuyến đường đến đích. Vì thế một tuyến đường xác định qua mạng này cần được lựa chọn. “Định tuyến” là việc chọn một tuyến đường tốt nhất và xác định để thông tin đi từ nguồn đến đích. Sự “khôi phục tín hiệu” là một khái niệm khác hẳn với sự sửa lỗi. Các kỹ thuật khôi phục cần thiết trong các tình huống mà sự trao đổi thông tin bị ngắt vì một lỗi hệ thống nào đó. Đối tượng vừa có thể hồi phục lại các hoạt động tại điểm bị ngắt vừa lấy lại trạng thái của các hệ thống liên quan đến điều kiện ban đầu của sự trao đổi thông tin. Việc “định dạng bản tin” phải làm với một sự thỏa thuận giữa hai bên như là dạng của dữ liệu cần được trao đổi, cần được truyền. Ví dụ như việc cả hai bên truyền thông cùng sử dụng một loại mã nhị phân cho các ký tự. Tiếp đến, việc cung cấp một vài biện pháp “bảo mật” trong hệ thống truyền thông là rất quan trọng. Bên gửi dữ liệu cần được đảm bảo rằng dữ liệu thực sự được 9
nhận bởi bên nhận chỉ định, còn bên nhận thì cũng cần chắc rằng dữ liệu mình nhận không bị thay đổi trong khi truyền và dữ liệu đến từ bên gửi thực sự. Cuối cùng, một phương tiện truyền thông dữ liệu là một hệ thống phức tạp mà không thể tạo ra hay vận hành cho chính nó. Các khả năng “quản lý mạng” cần dùng để cấu hình hệ thống, giám sát trạng thái của nó, tác động trở lại với các lỗi và những sự quá tải, lên kế hoạch cho sự phát triển trong tương lai. 1.2 Truyền thông dữ liệu Hình 1.2 dưới thể hiện một mô hình truyền thông dữ liệu đơn giản, để hiểu được quá truyền thông dữ liệu ta lấy ví dụ quá trình truyền thư điện tử từ nguồn đến đích. Hình 1.2. Mô hình truyền thông dữ liệu đơn giản Giả sử rằng thiết bị lối vào và bộ phát là những thành phần của một máy tính cá nhân (PC). Người dùng PC mong muốn gửi một bản tin tới người dùng khác với nội dung là “Kế hoạch buổi họp chiều thứ 5 tuần này bị hủy”, và ta quy định là (m). Người dùng này kích hoạt gói thư điện tử trên PC và đưa bản tin từ bàn phím (thiết bị lối vào) vào máy tính. Các chuỗi ký tự được lưu đệm vào bộ nhớ chính của máy tính, và chúng ta có thể xem nó như một dãy các bít (g) trong bộ nhớ. Máy tính được kết nối tới một vài phương tiện truyền dẫn, như mạng nội bộ hay một đường dây điện thoại bởi một thiết bị vào ra (bộ phát) – như modem. Dữ liệu được truyền tới bộ phát (modem) như là một dãy của các mức dịch điện áp [g(t)] mà nó đưa các bít lên các cáp hay bus truyền thông. Bộ phát được kết nối trực tiếp tới phương tiện truyền thông và nó chuyển đổi dòng dữ liệu đến [g(t)] sang một tín hiệu [s(t)] thích hợp đề truyền trên hệ thống truyền dẫn. 10
Tín hiệu phát s(t) được truyền trên phương tiện truyền dẫn sẽ bị suy giảm trước khi nó đến bộ thu. Do đó tín hiệu thu được r(t) có sự sai khác so với tín hiệu s(t). Bộ thu sẽ ước lượng tín hiệu gốc s(t) dựa vào tín hiệu thu được r(t) và những hiểu biết của nó về phương tiện truyền dẫn, và nó đưa ra một dãy bit g’(t). Những bít thông tin này được gửi tới lối ra của PC nơi mà nó được lưu đệm trong bộ nhớ như là một khối các bit (g). Trong nhiều trường hợp, hệ thống đích sẽ cố gắng xác định lỗi, và nó kết hợp với hệ thống nguồn để đạt được một khối dữ liệu hoàn chình không lỗi. Những dữ liệu đạt được này được đưa đến người dùng qua thiết bị lối ra như là màn hình của máy tính, hay máy in. Sau đó dữ liệu này được xem bởi người nhận như là một bản tin (m’), và nó là một bản sao chính xác như bản tin gốc (m). 1.3 Kết nối mạng truyền thông dữ liệu Trong dạng đơn giản nhất, truyền thông dữ liệu được xem như là sự kết nối trực tiếp giữa hai thiết bị qua một vài phương tiện truyền thông điểm – điểm. Tuy nhiên, điều này thường không thực tế, bởi một hoặc cả hai sự bất ngờ sau: 1- Các thiết bị thường ở xa nhau. Vì vậy để kết nối chỉ hai thiết bị là quá tốn kém bởi một tuyến liên kết dài hàng nghìn km. 2- Có cả một hệ các thiết bị, mỗi thiết bị lại yêu cầu liên kết tới rất nhiều thiết bị khác tại các thời điểm khác nhau. Vì thế việc kết nối cặp thiết bị bởi một đường dây dành riêng là không thực tế. Giải pháp cho vấn đề này là gắn mỗi thiết bị tới một mạng truyền thông. Hình 1.3 có sự liên hệ với mô hình truyền thông ở hình 1.1 và còn thể hiện ra hai mạng truyền thông chủ yếu là mạng diện rộng (WAN) và mạng cục bộ (LAN). Sự so sánh giữa hai mạng này thể hiện ở cả lĩnh vực công nghệ cũng như ứng dụng. 11
Hình 1.3. Mô hình truyền thông đơn giản Mạng diện rộng Mạng diện rộng được biết đến là loại mạng máy tính bao phủ một vùng địa lý rộng lớn. Một cách điển hình, một WAN bao gồm một số lượng các node chuyển mạch liên nối với nhau. Một sự truyền dẫn từ một thiết bị nào đó được định tuyến qua những node này tới một thiết bị đích xác định. Những node mạng này không được liên quan gì đến nội dung của dữ liệu; mục đích của những node này là cung cấp một phương tiện chuyển mạch để chuyển dữ liệu từ node tới node cho đến khi nó đến được đích của nó. Các mạng diện rộng (WANs) được thực hiện bởi một trong hai kỹ thuật là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Những năm gần đây các mạng Frame Relay và ATM được sử dụng chủ yếu. Những vấn đề này sẽ được trình bày sâu hơn trong chương 3. Mạng cục bộ 12
LAN (Local Area Network) - Mạng cục bộ, kết nối các máy tính trong một khu vực bán kính hẹp thông thường khoảng vài trǎm mét. Kết nối được thực hiện thông qua các môi trường truyền thông tốc độ cao ví dụ cáp đồng trục thay cáp quang. LAN thường được sử dụng trong nội bộ một cơ quan/tổ chức...Các LAN có thể được kết nối với nhau thành WAN. Cũng như là các mạng WAN, một mạng cục bộ là một mạng truyền thông mà liên nối một số lượng các thiết bị và cung cấp sự trao đổi thông tin giữa các thiết bị này. Tuy vậy có một số sự so sánh quan trọng giữa LAN và WAN như sau: 1- Phạm vi của LAN là nhỏ, thường thì trong một tòa nhà hay một phanà của tòa nhà. Sự khác nhau trong phạm vi địa lý sẽ dẫn đến sự khác nhau trong các giải pháp kỹ thuật 2- LAN được sử dụng bởi cùng một tổ chức mà sở hữu các thiết bị mạng. Còn với WAN, thì tổ chức sử dụng mạng chưa hẳn đã sở hữu các thiết bị mạng, một số thiết bị được sở hữu bởi nhà cung cấp dịch vụ. Hơn nữa với mạng LAN việc quản lý và bảo dưỡng mạng là do chính người sử dụng thực hiện. 3- Tốc tộ bên trong của LANs thường cao hơn tốc độ đó của WANs Có thể có nhiều cách bố trí (topology) cho các LAN quảng bá. Hình 1.4 nêu ra hai loại. Trong một mạng Bus (tức là một cáp tuyến tính), vào bất cứ thời gian nào một máy là máy chính và cho phép truyền tải, và mọi máy khác bị yêu cầu hạn chế việc truyền tải. Một cơ chế phân xử là cần thiết để giải quyết các xung đột khi hai hay nhiều máy muốn chuyển tin cùng một lúc. Cơ chế phân xử có thể là tập trung hay phân tán. Một loại hệ thống quảng bá thứ hai là ring (vòng). Trong một mạng ring, mỗi bit lan tỏa quanh nó, không chờ đợi phần còn lại của gói tin. Điển hình là từng bit dạo quanh toàn thể ring trong thời gian nó chiếm để truyền một vài bit. Như mọi hệ quảng bá khác, cần một số quy tắc để sắp xếp các thao tác truy cập đồng thời đến ring. Nhiều phương pháp được sử dụng sẽ được đề cập sau. Hình 1.4. Hai mạng quảng bá: (a) Bus; (b) Ring 1.4 Các giao thức và kiến trúc giao thức Khi các máy tính, đầu cuối và những thiết bị xử lý dữ liệu khác trao đổi dữ liệu thì phạm vi của những vấn đề quan tâm nhiều hơn những gì chúng ta đã thảo luận ở phần 1.2, 1.3. Chúng ta xét một ví dụ về việc truyền file giữa hai máy tính để làm sáng tỏ điều này. Không chỉ có một 13
tuyến truyền dữ liệu giữa hai máy tính có thể là trực tiếp hoặc qua một mạng truyền thông, mà quá trình truyền tin còn cần nhiều hơn các thủ tục. Các nhiệm vụ điển hình phải thực hiện bao gồm: 1. Hệ thống nguồn phải kích hoạt tuyến truyền thông dữ liệu trực tiếp hay thông tin cho mạng truyền thông biết về sự xác nhận của hệ thống thống đích đã yêu cầu. 2. Hệ thống nguồn phải biết chắc rằng hệ thống đích đã sẵn sàng nhận dữ liệu 3. Các ứng dụng truyền file trên hệ thống nguồn phải biết chắc rằng chương trình quản lý file trên hệ thống đích phải sẵn sàng chấp nhận và lưu trữ file cho người dùng. 4. Nếu các định dạng file được sử dụng trên hai hệ thống không tương thích thì một hoặc cả hai hệ thống phải thực hiện hàm chuyển đổi định dạng. Chúng ta thấy rõ ràng là cần có sự kết hợp cao giữa hai hệ thống máy tính (nguồn-đích). Sự chuyển đổi thông tin giữa hai máy tính cho hoạt động kết hợp của hai máy tính được biết đến như là “sự truyền thông máy tính”. Tương tự như vậy, khi hai hay nhiều máy tính được liên nối qua một mạng truyền thông thì một hệ các trạm máy tính này được biết đến như là một “mạng máy tính”. Bởi vì có sự yêu cầu về một mức liên kết giống nhau giữa một người dùng ở một đầu cuối và một người dùng ở một máy tính, nên các thuật ngữ thường được dùng khi một vài thực thể truyền thông là các đầu cuối. Khi trao đổi về mạng máy tính và sự truyền thông máy tính thì hai khái niệm có ý nghĩa lớn nhất là: ° Các giao thức ° Kiến trúc truyền thông máy tính, hay là kiến trúc giao thức Một giao thức được sử dụng để truyền thông giữa các thực thể ở các hệ thống khác nhau. Thuật ngữ “thực thể” và “hệ thống” được sử dụng ở trường hợp rất chung. Những thí dụ về các thực thể như là các chương trình ứng dụng, các gói truyền file, các hệ thống quản lý cơ sở dữ liệu, các phương tiện mail điện tử và các đầu cuối. Còn những ví dụ về hệ thống như là các máy tính, các đầu cuối và các cảm biến từ xa. Chú ý rằng, trong một số trường hợp thực thể và hệ thống là có sự tương tự (như là các đầu cuối). Nói chung, một thực thể là một vài khả năng gửi hay là nhận thông tin còn một hệ thống là một thực thể vật lý mà chứa một hay nhiều thực thể. Hai hệ thống có thể truyền thông dữ liệu thành công thì chúng phải “nói cùng một ngôn ngữ”. Vậy truyền thông là gì, các thực thể truyền thông như thế nào và khi nó truyền thông thì phải tuân theo một vài sự thỏa thuận giữa các thực thể liên quan. Các thỏa thuận này được biết đến như là một giao thức, nó có lẽ được định nghĩa là một hệ các 14
quy tắc mà chi phối giao dịch dữ liệu giữa hai thực thể. Các thành phần cơ bản của một giao thức gồm: ° Cú pháp (Syntax): Bao gồm những điều như định dạng dữ liệu và các mức tín hiệu ° Ngữ nghĩa (Semantics): Bao gồm thông tin điều khiển cho sự cùng sắp xếp và điều khiển lỗi. ° Định thời (Timing): Bao gồm sự điều phối tốc độ và sự sắp xếp thứ tự Một cách rõ ràng rằng cần có một mức độ hợp tác cao giữa hai máy tính. Thay vì thực hiện điều này như là một mô đun đơn lẻ thì nhiệm vụ sẽ được chia nhỏ thành nhiều nhiệm vụ nhỏ, mỗi một nhiệm vụ nhỏ này được thực hiện tách biệt nhau. Hình 1.5 đưa ra một ví dụ về sự thực thi một phương tiện truyền file. Có ba mô đun được sử dụng. Hình 1.5. Một kiến trúc đơn giản để truyền file Chúng ta hãy khảo sát chức năng của từng mô đun trong hình 1.5. Đầu tiên, mô đun truyền file (file transfer module) bao gồm tất cả những nguyên lý thiết kế máy mà chuyên dùng cho ứng dụng truyền file, như là truyền các mật khẩu, truyền các lệnh file, các bản ghi file. Cần thiết có sự tin cậy trong việc truyền các file và lệnh này. Tuy nhiên, có cùng các loại yêu cầu tin cậy liên quan đến một loạt các ứng dụng (như là thư điện tử, truyền tài liệu). Do đó các yêu cầu này được thỏa mãn bời một mô đun dịch vụ truyền thông (communications service module) riêng rẽ mà có thể được sử dụng bởi một loạt các ứng dụng. Mô đun dịch vụ truyền thông đảm bảo cho hai hệ thống máy tính được kích hoạt và sẵn sàng cho truyền dữ liệu và đảm bảo việc lưu vết (keeping track) của dữ liệu đang trao đổi tới đúng nơi phân phát. Mặc dù vậy những nhiệm vụ này là độc lập với loại mạng đang được sử dụng. Vì vậy các vấn đề chịu trách nhiệm về mạng được tách biệt ra thành một mô đun truy cập mạng 15
(network access module) riêng. Điều này có nghĩa là nếu mạng có sự thay đổi thì chỉ có mô đun truy cập mạng bị ảnh hưởng. Do đó, thay vì chỉ một mô đun đơn để thực hiện truyền thông dữ liệu thì chúng ta sử dụng một hệ các mô đun đã cấu trúc để thực hiện các chức năng truyền thông. Cấu trúc đó được biết đến như là một kiến trúc giao thức. Tiếp theo, ta xem xét một kiến trúc giao thức đơn giản nói chung, sau đó ta xét đến các ví dụ thực và phức tạp như kiến trúc giao thức TCP/IP và OSI. Mô hình ba lớp Trong các thuật ngữ nói chung thì truyền thông có thể được nói đến ba tác nhân là: các ứng dụng, các máy tính và các mạng. Một ví dụ về một ứng dụng là một hoạt động truyền file. Các ứng dụng này thực thi trên các máy tính mà có thể thường hỗ trợ nhiều ứng dụng cùng lúc. Các máy tính lại được kết nối tới các mạng, và dữ liệu để trao đổi thì được truyền bời mạng từ một máy tính đến máy tính khác. Do đó, việc truyền dữ liệu từ một ứng dụng này đến ứng dụng khác liên quan đến việc đầu tiên là lấy dữ liệu tới máy tính đích (máy tính mà trong đó chương trình ứng dụng kia cư trú) và sau đó đưa nó tới chương trình ứng dụng cần thiết trên máy tính đó. Chúng ta có thể đưa ra ý tưởng tổ chức nhiệm vụ truyền thông thành ba lớp độc lập một cách quan hệ với nhau như sau: Lớp truy cập mạng Lớp giao vận Lớp ứng dụng Lớp truy cập mạng đảm bảo việc trao đổi dữ liệu giữa một máy tính với mạng mà nó kết nối tới. Máy tính gửi dữ liệu phải cung cấp cho mạng địa chỉ của máy đích để cho mạng có thể định tuyến dữ liệu tới đích thích hợp. Máy tính gửi mong có những dịch vụ chắc chắn như dịch vụ ưu tiên mà được cung cấp bởi mạng. Các phần mềm chuyên dụng được sử dụng ở lớp này thì tùy thuộc vào loại mạng; các chuẩn khác nhau đã được phát triển cho từng loại: mạng chuyển mạch kênh, chuyển mạch gói, mạng cục bộ,… Do đó, thật là nhạy cảm để phân tách những chức năng mà phài làm việc với sự truy cập mạng ra một lớp riêng. Điều này đã cho phép phần mềm truyền thông ở trên lớp truy cập mạng không cần bận tâm đến những cái riêng của mạng được sử dụng. Phần mềm cùng lớp cao hơn nên hoạt động một cách thích đáng bất chấp một mạng cụ thể nào mà máy tính kết nối tới Không chú ý đến bản chất của các chương trình ứng dụng mà đang trao đổi dữ liệu, việc trao đổi dữ liệu cần có sự tin cậy. Có nghĩa là chúng ta phài đảm bảo rằng tất cả dữ liệu đến đúng ứng dụng đích và dữ liệu đến trong cùng yêu cầu trong đó 16
chúng được gửi. Những cơ cấu đảm bảo sự tin cậy là độc lập với bản chất của các ứng dụng. Do đó chúng ta phải lựa chọn những cơ cấu này trong một lớp thông thường được chia sẻ bởi tất cả các ứng dụng; lớp này được gọi là “lớp giao vận” Cuối cùng, lớp ứng dụng bao gồm những nguyên lý thiết kế cần để hỗ trợ cho nhiều loại ứng dụng người dùng. Với mỗi loại ứng dụng khác nhau như truyền file chúng ta cần một mô đun riêng để đặc trưng cho loại ứng dụng. Hình 1.6 và 1.7 minh họa cấu trúc đơn giản này. Hình 1.6 đưa ra một mô hình có 3 máy tính kết nối tới mạng. Mỗi PC gồm phần mềm ở lớp truy cập mạng và lớp giao vận, và phần mềm ở lớp ứng dụng cho 1 hay nhiều ứng dụng. Để truyền thông thành công, tất cả các thực thể trong toàn hệ thống phải có một địa chỉ duy nhất. Thực tế ta cần hai mức địa chỉ. Mỗi một máy tính trên mạng cần một địa chỉ mạng duy nhất; nó cho phép mạng phân phát dữ liệu đến máy tính thích hợp. Mỗi một ứng dụng trên 1 máy tính phải có một địa chỉ duy nhất bên trong máy tính đó; địa chỉ này cho phép lớp giao vận hỗ trợ nhiều ứng dụng ở mỗi máy tính. Các địa chỉ thứ hai được biết đến như là các điểm truy cập dịch vụ (SAPs – Service Access Points), nó có nghĩa là mỗi ứng dụng đang truy cập một cách riêng lẻ các dịch vụ của lớp giao vận. 17
Hình 1.6. Các kiến trúc giao thức và các mạng Hình 1.7. Các giao thức trong một kiến trúc đơn giản Hình 1.7 chỉ ra rằng các mô đun ở cùng một mức trên các máy tính khác nhau thì truyền thông với nhau. Một giao thức là một tập các quy tắc hay quy ước chi phối các cách thức trong đó hai thực thể hợp tác để trao đổi dữ liệu. Một thông số giao thức chi tiết hóa các chức năng điều khiển được thực thi, các định dạng và mã điều 18
khiển sử dụng để truyền thông các chức năng này, và các thủ tục mà hai thực thể phải theo. Chúng ta hãy xem xét một hoạt động đơn giản như sau. Giả sử một ứng dụng liên kết với SAP1 ở máy tính A muốn gửi một bản tin tới ứng dụng khác liên kết với SAP2 ở máy tính B. Ứng dụng ở A đưa bản tin qua lớp giao vận của nó với chỉ thị là gửi nó tới SAP2 trên B. Lớp giao vận lại đẩy bản tin qua lớp truy cập mạng, với chỉ thị cho mạng gửi bản tin tới máy tính B. Chú ý rằng mạng cần biết sự xác định điểm truy cập dịch vụ đích. Tất cả nó cần biết là dữ liệu hướng tới máy tính B. Để điều khiển hoạt động này thì thông tin điều khiển cũng như dữ liệu người dùng cần được truyền đi, như được đưa ra ở hình 1.8. Ở đó, ứng dụng gửi dữ liệu sẽ tạo một khối dữ liệu và đẩy nó tới lớp giao vận. Lớp giao vận có lẽ sẽ chia nhỏ nó ra thành nhiều đoạn nhỏ hơn để cho dễ quản lý hơn. Với mỗi đoạn này lớp giao vận sẽ nối thêm vào một phần đầu giao vận (transport header), nó bao gồm thông tin về điều khiển. Sự kết hợp này của dữ liệu từ lớp cao hơn kế tiếp và thông tin điều khiển này được gọi là một đơn vị dữ liệu giao thức (PDU); trong trường hợp của chúng ta là một đơn vị dữ liệu giao thức giao vận. Phần đầu này ở mỗi PDU giao vận bao gồm thông tin điều khiển để sử dụng bởi giao thức cùng cấp ở máy tính B. Những phần được lưu trữ trong phần đầu này bao gồm: SAP đích: Khi lớp giao vận đích nhận PDU giao vận thì nó phải biết nơi nào dữ liệu được phân phát (dữ liệu thuộc ứng dụng nào) Số tuần tự: Bởi vì giao thức lớp giao vận đang gửi một dãy các đơn vị dữ liệu giao thức, nên nó đánh số chúng một cách tuần tự để nếu như dữ liệu này có đến không đúng yêu cầu thì thực thể giao vận đích còn có thể sắp xếp lại chúng. Mã dò lỗi: Thực thể giao vận gửi dữ liệu có thể bao gồm một mật mã mà có một hàm của các nội dung của số dư của PDU. Giao thức giao vận bên nhận sẽ thực thi cùng một cách tính toán và so sánh kết quả với mật mã đến. Nến có kết quả khác biệt thì sẽ xảy ra một vài lỗi trên đường trường. Trong trường hợp này bên nhận sẽ loại PDU và thực hiện một số hoạt động cần thiết. 19