🔙 Quay lại trang tải sách pdf ebook Giáo trình mạng và truyền dữ liệu Ebooks Nhóm Zalo TS. NGUYỀN NGỌC CƯƠNG - TS. PHẠM NGỌC LẢNG JJNTCRNET / _/_ • WWW LINK fyht/i MẠNG VẢ TRUYỀN Dữ LIÊU PUBLISHER TS. NGUYỄN NGỌC CƯƠNG - TS. PHẠM NGỌC LÃNG CE/lẩơ éứỉí MẠNG VÀ TRỊIỸỀN Dữ LIỆU NHẢ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Mã số: GD 33 HU 14 LỜI NÓI ĐẦU Công nghệ thông tin trên thể giới và ở Việt Nam những năm găn đây đã phát triến như vũ bão với hệ thống mạng máy tính được hình thành và phát triến ở khắp nơi từ trung ương đển địa phương, các trường học, viện nghiên cứu, các công ty kinh doanh, các xí nghiệp,... Sự phát triển mạnh mẽ này cũng chính là do những dịch vụ mà mạng máy tính mang lại, mạng máy tính không còn ]à một thuật ngữ khoa học thuàn tuy mà ttờ thành một đối tượng nghiên cứu và ứng dụng không chỉ ở mức người sử dụng mà ờ mức sâu hơn làm chủ hệ thống và công nghệ, nhất là những công nghệ mới phát triến trong một vài năm găn đây. Với mong muốn được giới thiệu đến bạn đọc các kiến thức tống quan nhẵt vè mạng máy tính và truyền dữ liệu (gòm cả hữu tuyến và vô tuyến], Nhà xuẩt bản Thông tin và Truyền thông xuất bản cuốn sách "Giáo trình Mạng vò Truyần d ử liệu" do TS. Nguyễn Ngọc Cương và TS. Phạm Ngọc Lãng biên soạn. Nội dung cuốn sách gôm 8 chương: Chương 1. Khái niệm cơ bản về mạng máy tính Chương 2. Kiến trúc mạng và mô hình kết noío các hệ thống mở OSI Chương 3. Công nghệ mạng cục bộ - LAN Chương 4. Mạng Internet và công nghệ TCP/1P Chương 5. Kết nối liên mạng với TCP/IP Chương 6. Công nghệ mạng không dây và hệ thõng thông tin di động Chương 7. Các công nghệ phát triển ứng dụng phân tán Chương 8. Quản lý mạng và vân đê an ninh mạng Mạng và truyên d ữ liệu là môn học bắt buộc trong chương trình đào tạo cho học viên cao học, sinh viên chuyên ngành Công nghệ thông tin, Điện tử viễn thông. Vì vậy, cuốn sách sẽ là tài liệu tham khảo thật sự hữu ích cho các học viên, kỹ sư, kỹ thuật viên nghiên cứu và làm việc trong lĩnh vực công nghệ thông tin. Nhà xuẩt bản xin trân trọng giới thiệu cùng bạn đọc và rất mong nhận được ý kiễn đóng góp cùa quý vị độc giả để cuốn sách ngày càng hoàn thiện hơn trong những lăn tái bản sau. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Nhà xuăt bản Thông tin và Truyần thông, Số 9, Ngõ 90, Phố Ngụy Như Kon Tum, Quận Thanh Xuân, Hà Nội. Điện thoại: (04) 35772143' Fax: (04) 35579858. Xin trán trọng cảm ơn./. NHÀ XUẤT BẢN THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG MỞ BẦU Giáo trinh nàv phục vụ cho sinh viên và học viên cao học ngành Công nghệ thông tin và các ngành kỹ thuật khác học tập và nghiên cứu về “M ạng & Truyền dữ liệu”. Do công nghệ mạng máy tính phát triển nhanh và luôn thay đôi đẻ đáp úng nhu cầu sử dụng nên chúng tôi biên soạn giáo trình dựa trên các mục tiêu: - Trinh bà'' một cách hệ thống những khái niệm cơ bản nhất đề người học có cơ sớ tim hiêu về mạng máy tính. - Trình bàv nhũng phần cơ bán của mạng mà sự phát triền mang tính trình tự vả bền vững. - Cô eăne đưa những công nghệ mạne mới để người học nắm bắt được và ứng dụng trong thực tiễn công việc. Giáo trinh bao gồm các nội dung chinh sau: Chương 1. Khái niệm cơ bàn vế mạng máy tính: Giới thiệu tông quan về mạng máv tính, eồm các khái niệm cơ bàn về kiến trúc và các giao thức mạng, đặc tính các phuơns tiện truvền, các phương thức truyền số liệu, thông tin tuơng tự và thông tin số. Các côns nehệ truj en số liệu và một số vấn đề cơ bàn khi thiết kế kiến trúc mạng. Chương 2. Kiên trúc mạng và mô hình kết noi các hệ thống mớ OSI: Nghiên cứu các neuvên tẳc cơ băn đè thiết kế một mô hình giao thức mạng máv tính theo quan đièm chia các tiến trình truyền thông thành cấu trúc nhiều tầng, được xếp chồng lén nhau đê thực hiện một tiến trinh truyền thông hoàn chinh. Giới thiệu mô hinh OSỊ được xem như là một mò hình chuân. một chiến lược phát triến các hệ thống mớ và một khuna khái niệm về giao thức và dịch vụ. Chương 3. Công 'Ighệ mạnẸ cục bộ - LAN: Giới thiệu các công nghệ mạng cục bộ. các phưcma thức truy nhập đườne truyền, kiến trúc mạng cục bộ Ethernet, Virtual LAN, Local ATM và các mạne LAN khòne dâv WLAN (Wireless LAN). Chương 4. Mạng Internet và c ô m nghệ ICP IP: Giới thiệu bộ ẹiao thửc mang mang tinh đặc trưns và được áp dụng phỏ bièn. Nội dung chưcma trình bàv chi tiết mô hình kiến trúc TCP IP. đã trở thành chuân chung cho mạng máy tính toàn cầu. mạng Internet. Trong quá trinh hoạt động, IP\ 4 đã phát sinh một sô vân đe về háo mật và chất lượng dịch vụ QoS, vì vậy việc phái thay thẻ giao thức IPv4 là tẩt yếu. Thiết kế IPv6 nhằm mục đích tối thiêu hóa ảnh hướna qua lại aiữa các giao thức lớp trên và lớp dưới bane cách tránh việc bò sun? một cách ngẫu nhièn các chức nảna mới. Đề trièn khai mạng IPv6 hiệu quá và thiết thực, các nhà thiết kế đã đưa ra các giài pháp triển khai mạna IPv6 trèn nền mạn£ IPv4. Mờ đáu 5 Chương 5. Kết nối liên mạng với TCP/IP: Giới thiệu các công nghệ kết nối liên mạng trên TCP/IP hay hiều một cách chung nhất là tập hợp các mạng được kết nối với nhau trên TCP/IP, nghĩa là đề cập đến mạng liên mạng toàn cầu. Các phương pháp truy nhập Internet pho biến hiện nay có tốc độ truy nhập thấp. Còn công nghệ ADSL cung cấp các dịch vụ tốc độ tối đa 8MbiƯs. Với các hệ thống thông tin di động, thường chi cung cấp tốc độ quá thấp so với nhu cầu người sử dụng. WiMAX ra đời nhằm cung cấp một phương tiện truy nhập Internet không dây tồng hợp có thể thay thế cho ADSL và WiFi. Nhu cầu sử dụng các dịch vụ Internet di động tăng cao dẫn tới tất yếu phải ra đời một giao thức thống nhất quản lý tính đi động cùa Internet. Do đó. Mobile IP thỏa mãn nhu cầu truyền thông di động. Chương 6. Công nghệ mạng không dây và hệ thống thông tin di động: Dịch vụ Internet băng rộng không dây trờ nên phổ biến, cho phép truy nhập Web với tốc độ cao bằng các thiết bị số cá nhân. Mạng WLAN (Wireless LAN) là một hệ thống truyền thông dữ liệu linh hoạt, cung cấp các chức năng của một mạng LAN truyền thống, kết hợp kết nối truyền số liệu với tính di động. Có thể thực hiện dễ dàng các dịch vụ quàng bá (Broadcast) và đa địa chi (Multicast). Hệ thống thông tin di động số sử dụng kỹ thuật đa truy nhập phân chia theo thời gian (TDMA) và đa truy nhập phân chia theo mã (CDMA). Phần cuối chương giới thiệu hệ điều hành Android là một hệ điều hành dành cho thiết bị di động như điện thoại cầm tay, máy tính bàng và netbooks, được phát triển dựa trên nền tảng Linux và các phần mềm mã nguồn mở. Bảo mật vẫn còn một số vấn đề, nhưng thị phần của Android ngày càng chiếm ưu thế so với các hệ điều hành di động khác như io s (Apple), BlackBerry OS, Windows Mobile (Microsoft), Symbian (Nokia), Bada (Samsung), WebOS (Palm)... Chương 7. Các công nghệ ứng dụng phân tán: Giới thiệu một số công nghệ phát triển các ứng dụng phân tán trong mô hình Client/Server. RPC là lời gọi thù tục từ xa truyền thống, đặc biệt RMI là một cơ chế cho phép một đối tượng trên một máy ảo Java gọi các phuơng thức của một đối tượng trên một máy ào Java khác. Một trong nhũng môi trường phát triển các ứng dụng phân tán là điện toán đám mây. Tài nguyên và dịch vụ tách khỏi cơ sở hạ tầng, tập trung vào “đám mảy” và được cung cấp theo nhu cầu trong một môi trường đa người dùng. Dịch vụ Web ngữ nghĩa (Semantic Web Services) được coi là một công nghệ đột phá cho cuộc cách mạng trong thương mại điện tử. Được thiết kế đề hỗ trợ khả năng tương tác giữa các ứng dụng trên mạng Internet. Các ứng dụng được tích hợp với cơ sở dữ liệu (CSDL) và vào các ứng dụng khác. Việc phát triển quá nhanh các nội dung trên mạng Internet đã làm ảnh hường đến hoạt động của ứng dụng và chất lượng dịch vụ. Lưu lượng quá nhiều thường xuyên tắc 6 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu nghẽn. Đàm bào và cải thiện khả năng hoạt động cùa ứng dụng bằng các kỹ thuật điêu phối lưu luợng, cân bàng tài và cơ chế chất lượng dịch vụ QoS. Chương 8. Quản trị mạng và van đề an ninh mạng: Việc quàn lý mạng nhăm đàm bảo hệ thống hoạt động ổn định, an toàn và thông suốt. Người dùng sừ dụng các dịch vụ mạng an toàn và tin cậy cao. Vận hành, khai thác bình thường có hiệu suất cao là mục tiêu cùa công tác quản lý mạng. Vì vậy, người quản trị mạng cần phải nắm đây đù thông tin về các đối tượng quàn lý trong mạng. Phải tổ chức lưu trữ, khai thác cơ sớ dũ liệu MIB (Management Information Base - Cơ sở thông tin quàn lý) có hiệu quả. An ninh mạng bao gồm an toàn mạng (Network Security), an toàn ứng dụng (Application Security) và an toàn hệ thống (System Security). An toàn mạng có thể hiểu là các biện pháp bảo vệ nhằm đàm bảo an toàn cho tất cả các thành phần cùa mạng (dữ liệu, thiết bị, cơ sờ hạ tầng m ạng...) và các tài nguyên mạng sử dụng tương ứng với một chính sách hoạt động được ấn định và với chỉ những người có thẩm quyền tương ứng. An toàn ứng dụng là các biện pháp bào mật được áp dụng cho từng ứng dụng cụ thể, nó độc lập với các biện pháp đảm bào an toàn mạng, cần phải có các dịch vụ đàm bảo an toàn ứng dụng. Và cuối cùng là vấn đề an toàn hệ thống. Một hệ thống đơn giản chỉ là một tập hợp bao gồm các thành phần như máy tính, dữ liệu, các ứng dụng và cà yếu tố con người. Một hệ thống an toàn chỉ cho phép các thành viên trong hệ thống được phép thực hiện những chức năng, sử dụng các ứng dụng, dữ liệu trong phạm vi cùa minh. C h ư ơ n g 1 KHÁI NIỆM C0 BẢN VỀ MẠNG MÁY TÍNH Nội dung cùa chương: - Khái niệm và định nghĩa mạng máy tính - Mục tiêu và lợi ích mạng máy tính - Các dịch vụ mạng - Cấu trúc mạng (Topology) - Giao thức mạng máy tính (Protocols) - Phương tiện truyền dẫn (Transmission Medium) - Các phương thức truyền số liệu - Thông tin tương tự và thông tin số - Các công nghệ truyền số liệu - Một số vấn đề cơ bàn khi thiết kế kiến trúc mạng 1.1 KHÁI NIỆM VÀ ĐỊNH NGHĨA MẠNG MÁY TÍNH Mạng máy tính là tập hợp các máy tính đơn lè được kết nối với nhau bằng các phương tiện truyền dẫn vật lý (Transmission Medium) và theo một kiến trúc mạng xác định (Network Architecture). Nói cách khác, mạng máy tính là tập các máy tính kết nối với nhau hoạt động truyền thông tuân theo một tập quy tắc xác định. Hình 1.1 mô tà khái quát định nghĩa mạng máy tính. Thuật ngữ “Máy tính” trong mạng máy tính được hiều là các thiết bị số hoạt động bởi phần mềm điều khiển. Ví dụ máy tính PC hoạt động bời hệ điều hành Window, máy di động có hệ điều hành Android... có chức năng chuyền mạch, cung cấp dịch vụ cho người sừ dụng. Thiết bị trong mạng máy tính có thể là các loại máy chủ: Web Servers, Mail Servers, Database Servers...; các thiết bị kết nối liên mạng: Routers, Gateway,...; các loại tổng đài thoại, di động số; các thiết bị thu phát phát thanh, truyền hình số... Người ta hay gọi các máy tính trên mạng là các node mạng, node chuyển mạch, Host, phần từ cùa mạng, thực thể m ạng,... Phương tiện truyền vật lý có chức năng chuyền các tín hiệu điện từ giữa các máy tính. Các tín hiệu điện từ đó biêu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân. Tất cả các tín hiệu được truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ nào đó, trài từ các tần số radio tới sóng cực ngắn (viba) và tia hồng ngoại. Tùy theo tần số của sóng điện từ có thể dùng các tuyến truyền vật lý khác nhau để truyền các tín hiêu Khi xem xét lựa chọn phương tiện truyền, cần chú ý đến các đặc trưng cơ bàn cùa Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu chúng là băng thông (Bandwidth), độ suy hao và độ nhiễu điện từ. Băng thông cùa một tuyến truyền là độ đo phạm vi tần số mà nó có thể đáp ứng được. Độ suy hao là độ đo sụ yếu đi của tín hiệu trên tuyến truyền. Độ nhiễu điện từ gây ra bởi tiếng ồn điện từ bên ngoài làm ảnh hường đến tín hiệu trên tuyến truyền. Mạng mảy tính (Computer Network) Phương tiện truyền dẫn (Transmission Medium) Kiến trúc mạng a) Các loại cáp - Cảp đồng trục - Cáp xoăn đối - Cảp sợi quang... b) Phương tiện vỗ tuyến - Radio - Viba -Vệ tinh... (Network Architecture) a) Điềm - Điểm (Point to Point) /- Mạng hlnh sao - Mạng hlnh cây Giao thức (Protocol) -ATM - TCP/IP -MPLS Đa điểm (Multipoint) »Tinh - Mạng hlnh BUS - Mạng hlnh vòng Tập trung Phân tán Hình 1.1. Sơ đồ khái niệm về mạng máy tính Hiện nay, cà hai loại phương tiện truyền hữu tuyến (Cable) và vô tuyến (Wừeless) đều được sử dụng trong việc kết nối mạng máy tinh. Đường truyền hữu tuyến gồm có: - Cáp đồng trục (Coaxial Cable) - Cáp đôi xoắn (Twisted Pair Cable), gồm loại có bọc kim (Shielded) và không bọc kim (Unshielded) - Cáp sợi quang (Fible Optic Cable). Đường truyền vô tuyến gồm có: - Radio - Sóng cực ngắn (Viba, Microwave) - Tia hồng ngoại (Infrared). Phương tiện truyền vật lý kết nối các node mạng với nhau được gọi là đường truyền vật lý, phương tiện truyền dẫn, trung kế,... Mạng được kết nối với nhau bời phương tiện vô tuyến được gọi là mạng không dây (Wireless). Chương 1: Khái niệm cơ bàn vẽ mạng máy tính Kiến trúc mạng máy tính (Network Architecture) thể hiện cách nối các máy tính với nhau và tập hợp các quy tắc, quy ước mà tất cả các thực thề tham gia truyền thông trên mạng phải tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt. Cách thức nối các máy tính với nhau được gọi là cấu trúc mạng (Topology - viết tắt Topo). Còn tập hợp các quy tắc, quy ước truyền thông thì được gọi là giao thức (Protocol) của mạng. Topo và giao thức mạng là hai khái niệm rất cơ bàn cùa mạng máy tính. Máy tính, phương tiện truyền vật lý là cơ sờ hạ tầng mạng hay còn được gọi là phần cứng của mạng. Tập các quy tắc truyền thông là tập các phần mềm điều khiển các hoạt động truyền thông cùa mạng. Như vậy, mạng máy tính là mạng truyền thông số. Các mạng viễn thông số (mạng thoại 50, mạng di động số...); mạng truyền số liệu (mạng Internet, mạng Intranet, mạng cục bộ LAN, WiFi...) và các mạng quảng bá sổ (phát thanh, truyền hình số...) là các loại mạng máy tính. 1.2 MỤC TIÊU VÀ LÚI ÍCH MẠNG MÁY TÍNH 1.2.1 Mục tiêu kết nối mạng máy tính Mục tiêu đầu tiên của kết nối các máy tính thành mạng là cùng chia sẻ các tài nguyên chung, khai thác có hiệu quà các tài nguyên thông tin, nâng cao khả năng tích hợp và trao đổi các loại dữ liệu giữa các thành phần trên mạng, v ề nguyên tắc, bất kỳ người sử dụng nào cũng có quyền khai thác, sừ dụng tài nguyên của mạng mà không phụ thuộc vào vị trí địa lý. Tài nguyên của mạng bao gồm phần mềm hệ thống, phần mềm ứng dụng, các thiết bị kết nối vào mạng và đặc biệt là các cơ sở dữ liệu được cài đặt trên các hệ thống lưu trữ tin cùa mạng. Mục tiêu thứ hai là nâng cao độ tin cậy của hệ thống nhờ khả năng thay thế khi một số thành phần cùa mạng có thể xảy ra sự cố về kỹ thuật mà vẫn duy trì được sự hoạt động bình thường của hệ thống. Phần lớn các yêu cầu trong quân sự, hoạt động cùa các ngân hàng, kiểm soát không lưu, an toàn phàn ứng hạt nhân và nhiều úng dụng khác... yêu cầu phải hoạt động liên tục, không ngừng trệ. Phải có khà năng thay thế cao, nâng cao độ tin cậy cùa hệ thống. Mục tiêu cuối cùng có thể nói rằng việc thiết lập mạng nhằm tăng cường giao tiếp giữa người sử dụng với người sử dụng. Không những chinh phục được khoảng cách, con người có thề trao đổi, thảo luận với nhau cách xa nhau hàng nghìn km. Hình thành các lớp học ào, hội nghị áo từ xa trực tuyến... mà mạng còn cung cấp môi trường truyền thông mạnh cho các nhóm làm việc, trao đồi thông tin đa phương tiện. 1.2.2 Lợi ích kết nối mạng Khi nối các máy tính thành mạng, người ta có thể giảm số lượng máy in đĩa cứng và các thiết bị khác. Nghĩa là rât kinh tê trong việc đầu tư trang thiết bị cho môt hê 10 Giáo trình Mạng và Truỳên dữ liệu thống tin học cùa một cơ quan, xí nghiệp, doanh nghiệp.... Nhờ nối mạng, việc sù dụng các tài nguyên phần mềm cũng như các kho thông tin, cơ sờ dữ liệu... được chia sè chung cho nhiều người sử dụng. Cùng truy nhập và khai thác các dịch vụ trên mạng. Dùng chung tài nguyên đắt tiền như thiết bị, phần mềm. Không những tiết kiệm được thời gian, sức lực để thu thập, lưu trữ và xừ lý dữ liệu, tránh đuợc dư thừa, lãng phí dữ liệu, mà còn có khá năng tổ chức và triển khai các đề án tin học lớn trên diện rộng, thuận lợi và dễ dàng. Bào đàm các tiêu chuẩn thống nhất, tính bào mật và an toàn dữ liệu, khi nhiều hệ ứng dụng, nhiều người sử dụng tại các thiết bị đầu cuối khác nhau cùng làm việc trên các hệ cơ sở dữ liệu. Tóm lại, mục tiêu kết nối các máy tính thành mạng là cung cấp các dịch vụ mạng đa dạng, chia sẻ tài nguyên chung và giám bớt các chi phí về đầu tư trang thiết bị. 1.3 CÁC DỊCH VỤ MẠNG 1.3.1 Các xu hướng phát triển dịch vụ mạng máy tính Cung cấp các dịch vụ truy xuất từ xa: Truy xuất vào các nguồn thông tin ờ xa để xù lý như các dịch vụ giao dịch, thanh toán điện tử, thanh toán qua mạng nhu thanh toán hoá đơn, xử lý tài khoân ngân hàng, mua bán qua mạng... Phát triển các dịch vụ tương tác giữa người với người trên phạm vi mạng diện rộng, đáp ứng các nhu cầu trao đối thông tin đa dịch vụ, đa phuơng tiện giữa người sừ dụng đầu cuối với người sử dụng đầu cuối như các dịch vụ thư điện tò, video hội nghị, các dịch vụ thời gian thực sử dụng trong giáo dục, chữa bệnh từ xa... cũng nhu tạo ra các khả năng làm việc theo nhóm. Xu hướng phát triển các dịch vụ giải trí trực tuyến (Online). Đây là xu hướng phát triển cùa một ngành công nghiệp giải trí hiện đại. Các hình thức dịch vụ truyền hình, nghe nhạc, chơi game trực tuyến qua mạng... 1.3.2 Các dịch vụ phổ biến trên mạng máy tính Dịch vụ tệp (File services) cho phép người sử dụng có thể chia sẻ tài nguyên thông tin chung, chuyển giao các tệp dữ liệu từ máy này sang máy khác, có thể tra cứu tim kiếm thông tin và điều khiển truy nhập. Dịch vụ thư điện tử E-mail (Electronic mai!) là dịch vụ phổ biến nhất của mạng máy tính. Người sử dụng có thể trao đổi, tranh luận với nhau bằng thư điện từ. Trên mạng Internet có hàng triệu máy chủ mail server cùa các nhà cung cấp dịch vụ Internet (ISP) khác nhau cung cấp dịch vụ E-mail cho hàng trăm triệu nguời trên toàn thế giới. Dịch vụ thư điện tử không những giả thành hạ, chuyên phát nhanh, an toàn... nội dung cùa nỏ cỏ thê tích hợp các loại dữ liệu âm thanh, hình ảnh, đồ họa, vãn bản... trên một bức thư mà thư bưu chính không thề có được. Chương 1: Khái niệm cơ bản vẽ mạng máy tính 11 Dịch vụ in ẩn: Nhiều người có thể dùng chung các máy in đắt tiền trên mạng không phụ thuộc vào vị trí địa lý cùa người sử dụng. Tiến trình in trên mạng dựa trên nguyên tắc hàng đợi hiệu quà hơn so với in trực tiếp. Dịch vụ in trên mạng cung cấp khâ năng đa truy nhập đến máy in, phục vụ đồng thời cho nhiều nhu cầu in khác nhau và quản lý được các trang thiết bị in chuyên dụng. Các dịch vụ ứng dụng hướng đoi tượng: Sử dụng các dịch vụ thông điệp (Message) làm trung gian tác động đến các đối tượng truyền thông. Các ứng dụng cùa thông điệp có vai trò như những tác nhân (Agent) của đối tượng. Đối tượng chi bàn giao dữ liệu cho tác nhân và tác nhân sẽ chịu trách nhiệm bàn giao dữ liệu cho đối tượng đích. Điều này có nghĩa là các đối tượng không cần khả năng truyền thông với các đối tượng khác trên mạng mà vẫn trao đổi thông tin được với nhau. Các dịch vụ ứng dụng quản trị luồng công việc trong nhóm làm việc: Sẽ định tuyến các tư liệu và tài liệu điện tử giữa những người trong nhóm. Khi chữ ký điện từ được bổ sung vào tiến trình và được xác nhận trong các phiên giao dịch thì có thể thay thế được nhiều tiến trình mới hiệu quà và nhanh chóng hơn. ứ ng dụng liên kết các tư liệu với các đối tượng: Các tư liệu không nhất thiết là các tập tin thuần văn bàn. Các tư liệu có thể chứa nhiều đối tượng khác nhau như âm thanh, hình ảnh, đồ hoạ, văn bản, tiếng nói... và có thề tích hợp chúng vào trong một tư liệu. Một đối tượng được nhúng trong tư liệu sẽ có một mức thông minh cho phép nó chuyển các thông điệp đến hệ điều hành và đến các tư liệu khác. Dịch vụ các thư mục: Tích hợp mọi thông tin về các đối tượng trên mạng dưới dạng một cấu trúc thư mục chung. Các đối tượng mạng có thể tham khảo thư mục để định danh và trao đổi các thông điệp với các đối tuợng khác trên mạng. Đối tượng không cần biết địa chỉ, vị trí, dạng thức của thông điệp, dịch vụ sẽ cung cấp đầy đù các thông tin này. Dịch vụ thư mục sẽ làm đơn giàn rất nhiều khối lượng công việc trên mạng. Ví dụ có 2 hệ phục vụ tập tin và một hệ phục vụ thư điện từ. Nếu không có dịch vụ thư mục, điều hành viên của mạng phải quản lý các tài khoản người dùng một cách độc lập. Dịch vụ thư mục có thề quàn lý cả 3 hệ phục vụ đó bằng một cấu trúc thư mục. Cấu trúc thư mục che dấu cấu trúc vật lý của mạng để tránh các ứng dụng và người sử dụng khác. Thực tế thư mục được lưu trữ trong các tập tin thường trú vật lý trên một hay nhiều hệ phục vụ. Khi thông tin trong thư mục được nhân bản trên vài hệ phục vụ khác, phải áp dụng tiến trinh đồng bộ hoá thư mục đề duy tri trạng thái cập nhật của mọi nhân bàn. Dịch vụ cơ sở dữ liệu là dịch vụ phổ biến về các dịch vụ ứng dụng. Các hệ phục vụ cơ sở đữ liệu cho phép thiết kế các ứng dụng theo thành phần của hệ khách và các hệ phục vụ tách biệt, thường được gọi là cơ sở dữ liệu khách/phục vụ (Client/Server Databases). Cơ sớ dữ liệu khách/phục vụ cho phép thiết kế các ứng dụng khách và các 12 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu ứng dụng phục vụ. Cơ sờ dũ liệu phân tán ngày càng đuợc ứng dụng rộng rãi, cho phép lưu trữ dữ liệu trên các máy tính khác nhau tại các vị trí địa lý khác nhau. Với cách nhìn cùa người sừ dụng, cơ sờ dữ liệu phân tán là trong suốt và dễ sữ dụng. Đe đơn giàn người ta sao lặp các cơ sờ dữ liệu thành nhiều bản sao và được cài đặt trên nhiều vị trí khác nhau. Phương pháp này tạo ra độ an toàn cao, đáp ứng được các nhu cầu truy nhập cùa người sử dụng. 1.4 CẤU TRÚC MẠNG Cấu trúc mạng (Topology) được gọi là tôpô mạng, là cấu trúc hình học không gian cùa mạng. Thực chất là cách bố trí vị trí vật lý các node và cách thức kết nối chúng lại với nhau. Có hai kiểu cấu trúc mạng: kiểu điềm - điểm và kiều quảng bá. 1.4.1 Cấu trúc điểm - điểm (Point to Point) Mạng hình sao (Star)Mạng chu trình (Loop) Hình 1.2. Các mạng có cấu trúc điểm - điểm Đường truyền nối từng cặp node lại vói nhau theo một cấu trúc hình h ạt xác định nào đó. Nếu các node có nhu cầu trao đồi thông tin, một kênh truyền vật lý sẽ đuợc thiết lập giữa node nguồn và node đích bằng một chuỗi tuần tự các node. Các node trung gian có chức năng tiếp nhận thông tin, lưu trữ tạm thòi thông tin trong bộ nhớ phụ và chờ cho đến khi đường truyền rỗi sê gửi tiếp thông tin sang node tiếp theo... cú như vậy cho đến node đích. Người ta gọi mạng có cấu trúc điểm - điểm là mạng lưu và gửi tiếp (Store - and - Forward). Mạng hình sao (Star), mạng chu trình (Loop), mạng hình cây (Tree), mạng hình đầy đù (Complete)... là những mạng có cấu trúc kiều điềm - điêm. Ưu điêm căn bản của loại mạng này ít có khà nãng xảy ra đụng độ thông tin (Collision) trên đường truyền vật lý. Nhưng nhược điểm lớn nhất cùa nó là hiệu suất sứ dụng đường truyền không cao, chiếm dụng nhiều tài nguyên mạng, độ trễ lớn, tiêu tốn nhiều thời gian đê thiết lập đường truyền và xừ lý tại các node. Vì vây tốc đô trao đổi thông tin thường là thấp. Chương 1: Khái niệm ca bàn vê mạng máy tính 13 1.4.2 Cấu trúc đa điểm hay quảng bá (Point to Multipoint, Broadcasting) Tất cả các node cùng truy nhập chung trên một đường truyền vật lý. Một thông điệp được truyền đi từ một node nguồn nào đó sẽ được tất cả các node còn lại tiếp nhận và trong thông điệp phải có trường địa chỉ đích, cho phép các node nhận thông điệp đọc và phân tích thông điệp này có phải là của nó hay không. Hình 1.3 giới thiệu một số thí dụ hình dạng cùa loại mạng này. Có thể có nhiều node cùng truy nhập đồng thời trên đường truyền chung, vì vậy cần thiết phải có cơ chế đề giải quyết vấn đề đụng độ thông tin (Collision) hay tắc nghẽn thông tin trên đường truyền, nhất là trong các mạng hình Bus và hình Ring. Các mạng có cấu trúc quảng bá được phân chia thành hai loại: loại có cấu trúc quàng bá tĩnh và loại có cấu trúc quàng bá động, phụ thuộc vào việc cấp phát đường truyền cho các node. Trong quảng bá động lại chia thành 2 loại, loại quảng bá động tập trung và quảng bá động phân tán. Quãng bá tĩnh c Quảng bá >*■ Quãng bá động tập trung k Quảng bá động*' Quảng bá động phân tán Quảng bá tĩnh: Kiểu cấp phát tĩnh điển hình là người ta chia thời gian thành nhiều khoảng rời rạc và dùng cơ chế quay vòng (Round Robin) để cấp phát đường truyền cho các node. Các node có quyền truy nhập khi đến cứa thời gian cùa nó. Tuy nhiên có nhiều node không có gì để truyền tin khi đến lượt nó được truyền. Vì vậy thời gian kênh rỗi vẫn xảy ra, trong khi có nhiều node có nhu cầu không được phép truy nhập dẫn đến hiệu suất kênh truyền không cao. Vì vậy trong một số hệ thống đề khắc phục nhược điểm này bằng cách cấp phát động, tức là cấp phát quyền truy nhập cho những node có yêu cầu truyền tin. cấp phát quảng bá động có thể quàng bá động tập trung hay cấp phát quảng bá động phân tán. Mạng hlnh Bus Mạng hình vòng Rỉng Vệ tinh Hình 1.3. Các mạng có cấu trúc quàng bá Quảng bá động tập trung: Người ta thiết kế và cài đặt thêm một bộ phận trung gian có chức năng tiếp nhận yêu cầu truyền số liệu và cấp phát đường truyền cho các 14 Giáo trinh Mạng và Truỳén dữ liệu node có nhu càu trao đổi thông tin bằng một giải thuật nào đó. Kiểu cấp phát này giảm được tối đa thời gian chết cùa đường truyền, hiệu suất kênh truyền cao, nhưng việc thiết kế và cài đặt rất phức tạp và khó khăn, không dễ dàng gi. Quảng bá động phân tán: Không có bộ trung gian, các node tự quyết định quyển truy nhập đường truyền phụ thuộc vào trạng thái cùa đường truyền. Đây là giài pháp tốt nhất trong thiết kế và cài đặt các phương pháp truy nhập đường truyền bàng nhiều giài thuật khác nhau, giảm thiểu thời gian chết cùa đường truyền và giàm thiểu đuợc đụng thông lượng tin và tắc nghẽn trên đường truyền. Điển hình các mạng có cấu trúc quàng bá là các mạng hình Bus, hình Ring, vệ tinh... trong hình 1.3. 1.5 GIAO THỨC MẠNG MÁY TÍNH 1.5.1 Khái niệm về giao thức Ngoài các quy định về đường truyền vật lý đàm bào truyền dữ liệu dưới dạng chuỗi bit giữa các thành phần trong mạng, còn phải có các tiến trình (Proccess), các quy định nhằm duy trì cho mọi hoạt động truyền thông được chính xác và thông suốt. Các thành phần của mạng muốn trao đổi thông tin với nhau chúng phài đàm phán, hiều nhau và bắt tay về một số thù tục, nguyên tắc sao cho quá trình truyền thông chính xác, thành công. Ví dụ máy chủ có thề cung cấp các dịch vụ cho một trạm làm việc, trước tiên hai thực thể đó phải trao đổi liên lạc được với nhau, tuân theo các thù tục về khới động, kết thúc một tương tác, điều khiển tốc độ, lưu lượng, kiểm soát lỗi,... Chúng phải thống nhất với nhau quy tắc, quy ước về nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) cùa dữ liệu cho tới các thủ tục gừi, nhận dữ liệu kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin, xử lý các lỗi và sự cố... trong một tập các tham số. Yêu cầu về xử lý và trao đồi thông tin cùa người sừ dụng càng cao thì các quy tắc càng nhiều và phức tạp. Có thể hiểu tập quy tắc, quy ước như là ngôn ngữ chung cùa mạng, được gọi là giao thức mạng (Protocols). Như vậy giao thức mạng được hiểu là các quy tác điều khiển các tiến trình truyền thông giữa các thành phần trong mạng với nhau. Giao thức mạng là sàn phâm của các tổ chức chuẩn quốc tế. Nhóm các giao thức cùng thực hiện một chức năng truyền thông nào đó được gọi là các chuẩn hoặc khuyến nghị. Trong một mạng máy tính có thể sử dụng nhiều chuẩn khác nhau, sản phẩm của nhiều hãng khác nhau, phụ thuộc vào sự lựa chọn của người thiết kế. Một vài đặc tính quan trọng cùa giao thức là: - Trực tiếp/gián tiếp - Đơn thề cấu trúc - Đối xứng/không đối xứng - Chuẩn /không chuẩn Chương 1: Khái niệm cơ bản ve mạng máy tính 15 Trao đổi thông tin giữa hai thục thể có thể là trực tiếp hoặc gián tiếp. Nêu hai hệ thống kết nối điểm - điểm, các thực thề có thể trao đổi thông tin trực tiếp, nghĩa là dữ liệu và thông tin điều khiển được truyền trực tiếp giữa các thực thể mà không có sự can thiệp cùa các thục thể trung gian. Tirơng tự cho cấu trúc quàng bá, giao thức sẽ phức tạp hơn. Hai thực thể phải phụ thuộc vào các chức năng của các thực thể khác đê trao đổi dữ liệu. Trường hợp phức tạp hơn khi các thực thể không chia sè trên cùng một mạng chuyển mạch, kết nối gián tiếp phải qua nhiều mạng con. B.W. Marsden đã đưa ra định nghĩa về giao thức như sau: “Giao thức là một tập hợp các nguyên tắc và quá trình đã được thong nhất mà các thành phần của mạng phải tuân theo, nó cho phép điều khiến ưuyền thông tin một cách thứ tự giữa các thực thê tham gia fruyen thông này”. 1.5.2 Chức năng giao thức Trước khi nghiên cứu cấu trúc của giao thức, cằn khảo sát một số chức năng cơ bản của giao thức. Các chức năng cơ bản cùa giao thức bao gồm: Chức năng phân đoạn và tái hợp: Giao thức có liên quan đến trao đổi luồng dữ liệu giữa hai thực thể. Mạng truyền thông chỉ chấp nhận các gói dữ liệu có kích thước nhất định. Các giao thức ờ các tầng thấp cần phài cắt dữ liệu thành những gói có kích thước quy định. Quá trình này gọi là quá trình phân đoạn. Gói dữ liệu trao đồi giữa hai thục thể qua giao thức gọi là đơn vị giao thức dữ liệu PDU (Protocol Data Unit). PDU có kích thước phù hợp sẽ truy nhập đuờng truyền thuận lợi, các node có thể tiếp nhận, lưu trữ xử lý tại bộ nhớ với thời gian trễ bé. Ngược với quá trình phân đoạn bên phát là quá trình hợp lại bên thu. Dữ liệu phân đoạn cần phài được khôi phục lại thành thông điệp ban đầu ở tầng ứng dụng (Application). Vi vậy vấn đề đàm bào thứ tự các gói đến đích là rất quan trọng. Chức năng đóng gói: Một số đơn vị giao thức dữ liệu PDU không những chứa nội dung thông tin của người sử dụng, mà còn phải chứa thông tin điều khiển. Một số loại gói chỉ chứa thông tin điều khiển, không chứa thông tin cùa người sừ dụng. Thông tin điều khiển bao gồm thông tin địa chi nguồn, địa chỉ đích, mã gói, mã phát hiện lỗi, điều khiển giao thức... Việc thêm thông tin điều khiển vào các gói dữ liệu khi đi qua các tầng bên phát gọi là quá trinh đóng gói (Encapsulation). Bên thu sẽ được thực hiện ngược lại thông tin điều khiển sẽ được gỡ bỏ khi gói tin được chuyển từ tầng dưới lên tầng trên. Chức năng điều khiến liên kết: Việc trao đổi thòng tin giữa các thực thể có thể thực hiện theo hai phương thức: phương thức hướng liên kết (Connection Oriented) và không liên kết (Connectionless). Phương thức truyền không liên kết nghĩa là không yêu cầu có độ tin cậy cao, tức là trong quá trình trao đổi thông tin giữa các thực thể, chúng 16 Giáo trình Mạng và Truỳên dữ liệu không yêu cầu chất luợng dịch vụ, không yêu cầu xác nhận. Ngược lại, truyền theo phương thức hướng liên kết, các thực thể khi tham gia truyền thông yêu cầu có độ tin cậy cao, yêu cầu đảm bào chất lượng dịch vụ và có xác nhận. Truyền dữ liệu hướng liên kết thực hiện ba giai đoạn: trước khi hai thực thể trao đổi thông tin với nhau, giữa chúng một kết nối được thiết lập, giai đoạn truyền dữ liệu và sau khi trao đổi xong, kết nối sẽ được giải phóng. Chức năng giám sát: Các gói tin PDU có thể lưu chuyển độc lập theo những con đường khác nhau trên mạng hướng đích. Vì vậy, khi đến đích có thể các gói tin không theo thứ tự như khi phát. Trong phương thức truyền dữ liệu hướng liên kết, yêu cầu các gói tin PDU phài được giám sát. Mỗi một gói tin PDU được gán một số hiệu duy nhất và số được đăng ký theo một chuỗi tuần tự. v ề mặt logic các thực thể nhận sẽ sắp xếp các gói tin theo thứ tự ban đầu. Chức năng điểu khiển lưu lượng-. Điều khiển lưu lượng là một chức năng quan trọng cùa giao thức, liên quan đến khả năng tiếp nhận các gói tin cùa thực thể bên thu và số lượng hoặc tốc độ của dữ liệu được truyền bời thực thể bên phát. Điều khiển lưu lượng thu và phát cùa các thực thể sao cho bên thu không bị tràn ngập, đảm bào tốc độ cao nhất. Một dạng đơn giản của điều khiển lưu lượng là thù tục dừng và đợi (Stop and Wait). Mỗi một gói tin PDU đã phát cần phải được xác nhận trước khi truyền gói tin tiếp theo. Điều khiển lưu lượng là một chức năng quan trọng cần phải được thực hiện trong hầu hết các giao thức, đề giao thông trong mạng thông suốt tránh tắc nghẽn và tránh đụng thông lượng tin trên mạng. Chức năng điểu khiển loi'. Điều khiển phát hiện và sửa lỗi các gói tin lỗi là chức năng quan trọng và rất cần thiết trong các hoạt động truyền thông. Phát hiện và sữa lỗi bao gồm việc phát hiện lỗi trên cơ sờ kiểm tra thông tin trong các khung (Frame) và truyền lại các PDU khi có lỗi. Nếu một thực thể nhận xác nhận PDU có lỗi, thông thường gói tin sẽ phải được truyền lại. Chức năng đồng bộ hoá: Các thực thề giao thức có các tham số về biều thị các biến trạng thái và định nghĩa trạng thái các thực thể, đó là các tham số về kích thước cửa sổ, pha liên kết và giá trị thời gian. Yêu cầu cùa hai thực thể truyền thông đồng thời trong cùng một trạng thái cần phải được xác định cụ thể tại bên phát và bên nhận. Việc đông bộ hoá sể khó khàn nêu một thực thể chỉ xác định được trạng thái cùa thực thê khác khi nhận các gói tin PDƯ. Các gói tin PDU không lập tức đến ngay mà phài mât một khoảng thời gian đê lưu chuyển từ nguồn đến đích và các gói tin PDƯ cũng cỏ thể bị thất lạc trong quá trình truyền. Chức năng địa chi hoá: Mỗi một thực thể trên mạng được gán duy nhất một và chỉ một địa chỉ logic và một địa chỉ vật lý. Hai thực thể cỏ thể truyền thông được với nhau, chúng cân phải nhận dạng được nhau. Trong mạng quảng bả, mỗi một thực thể Chương 1: Khái niệm ca bán ve mạng máy tính 17 mạng phải xác định các gói tin theo đặc điềm nhận dạng của nó. Trong các mạng chuyền mạch (điểm - điểm), mạng cần nhận biết thực thể đích đề định tuyến dữ liệu trước khi thiết lập kết nối. Chức năng ghép kênh sừ dụng giao thức. Khi dữ liệu được truyền từ một thực thể, giao thức sẽ sú dụng phương pháp kết nối tên, cho phép thực hiện nhiều kết nối đồng thời qua các tên cổng (Port Name) khác nhau đến các đích khác nhau. Với việc sứ dụng tên cổng khác nhau sẽ thực hiện được nhiều kết nối khác nhau và quản lý các phiên giao dịch khác nhau. Chức năng dịch vụ truyền: Một giao thức có thể cung cấp nhiều dịch vụ khác nhau cho các thực thể hoạt động. Có 3 dịch vụ chính: - Dịch vụ ưu tiên (Priority): ưu tiên thực hiện có độ trễ nhò nhất. - Mức dịch vụ (Grade of Service): các lớp dữ liệu có thể yêu cầu mức trễ nhỏ nhất hoặc lớn nhất. - An toàn (Security). Yêu cầu trao đổi thông tin trong mạng máy tính càng cao thì các tiến trình hoạt động truyền thông càng phức tạp. Không thể giài quyết mọi vấn đề trong một tiến trình, ngành công nghiệp mạng máy tính đã giải quyết từng phần sao cho các tiến trình có thể liên kết đuộc với nhau, có khà năng sửa đồi, mở rộng, bổ sung các yêu cầu truyền thông. Trong một mạng có thể sử dụng nhiều loại thiết bị cùa các hãng sản xuất khác nhau với nhiều giao thức khác nhau. Ví dụ các giao thức truy nhập mạng CSMA/CD, Token Bus, TCP/IP... 1.6 PHƯƠNG TIỆN TRUYỀN DẪN Phương tiện truyền vật lý là vật truyền tải các tín hiệu điện tử giữa các thực thề cùa mạng với nhau. Vật truyền tải bao gồm các loại cáp hữu tuyến và các phương tiện vô tuyến, có những đặc trưng sau: 1.6.1 Băng thông và tốc độ dữ liệu Băng thông (Bandwidth) của một đường truyền là miền tần số giới hạn thấp và tần số giới hạn cao, tức là miền tần số mà đường truyền đó có thể đáp ứng được. Trong kỹ thuật truyền thông tương tự, băng thông chính là tổng dung lượng của kênh truyền thông. Băng thông càng lớn thì càng nhiều tín hiệu có thể được chuyển tải qua một dài tần số cho trước. Ví dụ đường dây điện thoại có thể truyền tín hiệu từ 300Hz đến 3300Hz sẽ có băng thông là 3300-300=3000Hz hay 3kHz. Trong truyền thông số, băng thông được hiểu là tốc độ dữ liệu tức là lượng dữ liệu có thề được truyền qua phương tiện truyền dần. Tốc độ dữ liệu được đo băng bit/giây và có thề thay đổi đáng kể giữa các kênh thông tin khác nhau. Một khái niệm khác là tốc độ baud. Baud là môt đơn vi 18 Giáo trình Mạng và Truyện dữ liệu đo tốc độ cùa tín hiệu, là số lần thay đổi rời rạc trong một chu kỳ của tín hiệu. Baud cũng được dùng để biểu thị phép đo tốc độ truyền dữ liệu tuy nhiên nỏ không tương ứng với so bit phát đi trong một giây. Băng thông cùa cáp phụ thuộc vào chiều dài của cáp. Cáp ngắn băng thông cao và ngược lại. Vì vậy khi thiết kế lắp đặt cáp, chiều dài cáp sao cho không vượt quá giới hạn cho phép, vì có thể xảy ra lỗi trong quá trình truyền. 1.6.2 Thông lưọng Thông lượng (Throughput) và băng thông (Broadband) là hai khái niệm hoàn toàn khác nhau. Trong công nghệ truyền thông và mạng máy tính, băng thông thề hiện khả năng về lý thuyết cùa kênh thông tin biểu diễn theo bit/giây. Xét một mạng LAN Fast Ethernet có tốc độ truyền tối đa là 100Mbit/s. Tuy nhiên thực tế dữ liệu truyền đi không thể đạt tốc độ lOOMbit/s, vì các yếu tố bên ngoài như khà năng xử lý của một nút mạng, tốc độ xử lý vào ra cùa dữ liệu, hệ điều hành, phần mềm truyền thông, lưu lượng trong mạng ... làm giảm đi tốc độ dữ liệu thực sự. Vì vậy dẫn đến sự khác nhau giữa băng thông lý thuyết cực đại và tốc độ truyền thông đạt được. Tốc độ thực tế được xem như là thông lượng cùa mạng, cho biết luợng dữ liệu được phát đi giữa hai nút mạng trong một thời gian cho truớc. Tóm lại, băng thông là tham số đo về dung lượng lý thuyết của kênh, cho biết lượng dữ liệu mà kênh truyền có khả năng hỗ trợ được trong khi đó, thông lượng cho biết lượng dữ liệu thực tế chuyển tải bởi kênh truyền. 1.6.3 Nhiễu Nhiễu là các tín hiệu bên ngoài không mong muốn xâm nhập vào môi trường truyền dẫn. Nhiễu xuất hiện dưới hai dạng: nhiễu biên độ và nhiễu xung. Nhiễu biên độ cũng còn được gọi là nhiễu nhiệt tạo ra chù yếu bởi các thiết bị truyền dẫn như bộ phát, bộ thu và bộ lặp. Nhiễu biên độ cũng có thề được tạo ra do các nguồn bên ngoài như biến thế đèn huỳnh quang, các thiết bị điện, nhiệt... Khi có nhiễu biên độ, thiết bị thu sẽ khó khăn trong việc phân biệt các tín hiệu vào. Nhiễu xung là các tín hiệu gián đoạn tạo ra do các tác nhân bên ngoài như môtơ điện, máy photocopy... Nhiễu xung có thề làm tăng hoặc giàm mức tín hiệu trong mạch điện, làm bộ thu phân biệt nhầm tín hiệu. Nhiễu làm suy giảm chất lượng cùa kênh truyền thông và là nguyên nhân chính gây lỗi truyền trong mạng máy tính. Ngoài ra còn có loại nhiễu khác gọi là nhiễu điều chế bên trong. Các thiết bị ghép kênh phân chia theo tần số ghép các tần số khác nhau trong cùng một môi trướng truyền dẫn. Nhiễu điều chế bên trong xuất hiện khi hai tần số tương tác với nhau tạo nên tín hiệu ảo (bóng ma) ờ tần số khác, tần số này có thể bằng tồng hoặc hiệu cùa hai tần số gốc, đó chính là nhiễu điều chế bên trong. Một khái niệm liên quan đến nhiễu là Chương 1: Khái niệm cơ bản vẽ mạng máy tính 19 giới hạn Shanon. Giới hạn này mô tà một mô hình xác định tốc độ truyền dữ liệu tối đa cùa kênh truyền tương tự có nhiễu. Giới hạn Shanon chì dùng cho các kênh tương tự. Modem tương tự thông thường đạt giá trị 33,6kbit/s, đây là tốc độ cực đại căn cứ tần số của kênh và tỉ số tín hiệu trên nhiễu. Đề tránh giới hạn Shanon, người ta thiết lập một kết nối lai tương tự - số giữa các kênh số và kênh tương tự. Điều này cho phép tăng tốc độ cùa modem lên đến 56kbit/s. 1.6.4 Các loại cáp mạng Ngày nay phần lớn mạng máy tính được nối bằng các loại cáp, đóng vai trò như phương tiện truyền tín hiệu giữa các máy tính trên mạng. Rất nhiều loại cáp có thể đáp ứng các yêu cầu và quy mô mạng khác nhau, từ nhò đến lớn. Có ba loại cáp chính đó là: - Cáp đồng trục - Cáp xoắn đôi - Cáp quang 1) Cáp đồng trục Cáp đồng trục (Coaxial cable): Là phương tiện truyền tài các tín hiệu có phổ rộng và tốc độ truyền cao. Băng thông cúa cáp đồng trục từ 2,5Mbiơs (ARCnet) đến 10Mbit/s (Ethernet). Suy hao cáp đồng trục tốt hom các loại cáp khác, phụ thuộc vào độ dài, thường vài nghin mét. Thường sử dụng để lắp đặt mạng hình Bus (các loại mạng LAN cục bộ Thick Ethernet, Thin Ethernet) và mạng hình sao (mạng ARCnet). Dạng đơn gián nhất cáp đồng trục gồm một lõi đồng nguyên chất được bọc chất cách ly, một lớp bảo vệ bằng lưới kim loại và một lớp vò bọc ngoài. Lớp chất cách ly và lưới kim loại được xem là lớp bọc đôi. Tuy nhiên còn có loại cáp bọc bốn lớp dành cho môi trường hay bị nhiễu. Cáp bọc bốn lớp bao gồm hai lớp chất cách điện và hai lớp lưới kim loại. Lớp bảo vệ tấm lưới kim loại (hay chất liệu khác) bọc quanh một số loại cáp. v ỏ bọc bào vệ dữ liệu truyền bàng cách hút tín hiệu điện từ chạy lạc, gọi là nhiễu, để chúng không chạy lên cáp và làm nhiễu dữ liệu. Lõi cáp đồng trục mang tín hiệu điện tử tạo thành dữ liệu sợi lõi này có thể có dạng đặc hoặc có dạng bện. Nếu là lõi đặc, thì thường đó là lõi đồng. Bao quanh lõi là một lớp cách ly, ngãn cách lõi với lưới kim loại (Wire Mesh). Lưới kim loại ngăn không cho nhiễu xuyên âm và điện lọt vào. Nhiễu xuyên âm là tín hiệu tràn từ dây dẫn kế cận. Lõi dây dẫn và lưới kim loại phải luôn cách ly nhau. Nếu chúng chạm vào nhau, cáp sẽ bị đoán mạch, nhiễu điện và tín hiệu chạy lạc trên lưới kim loại sẽ tràn vào dây đồng và phá huỷ dữ liệu. Lớp vò bọc ngoài cùa cáp thuờng được làm bàng chất không dẫn điện, chẳng hạn cao su, Teflon hoặc nhựa dẻo. 20 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu Cáp đồng trục có tính chống nhiễu và sự suy yếu tín hiệu (Altenuation) mạng hơn cáp xoắn đôi. Sự suy yếu tín hiệu là hiện tượng mất dần cường độ tín hiệu, băt đâu xuât hiện khi tín hiệu đi xa hơn trong cáp đồng. Lưới kim loại bào vệ có thể hấp thu tín hiệu điện tử chạy lạc đê chúng không ành hưởng đến dữ liệu đang gửi lẽn lối cáp đồng. Vì vậy cáp đông trục được chọn cho những khoảng cách truyền xa và những thiết bị truyền dữ liệu thấp... Cáp đồng trục có hai loại: - Cáp mảnh (Thinnet): Loại cáp mảnh có đường kỉnh khoảng 0,5cm, có đặc tính mềm và dễ kéo dây nên người ta có thể dùng cho bất kỳ kiều lắp đật mạng nào. Mạng dùng loại cáp mảnh có cáp nối trực tiếp vào Card mạng của máy tính. Cáp đông trục mành có thề truyền tín hiệu đi xa tới 185m. Đặc tính kỹ thuật của cáp mành nằm trong nhóm RG-58 và có trớ kháng 50Q. Trở kháng là điện trở làm thay đổi dòng điện chạy trong dây dẫn. Sự khác biệt chú ý trong nhóm RG-58 nằm ở lõi đồng. Lõi đồng có thể là lõi dây dẫn bện hoặc lõi bằng đồng. - Cáp dày (Thicknet): Cáp đồng trục dày có đường kính khoảng l,3cm và tương đối cứng, được xem như Ethernet chuẩn và là loại cáp dùng với kiến trúc mạng rất pho biến-Ethemet. Lõi đồng cùa loại cáp này dày hơn lõi cáp mành. Lõi đồng càng dày thì tín hiệu càng truyền xa, tối đa 500m. Vi vậy nó được chọn làm cáp trục cáp chính (Backbone) nối liền nhiều mạng có quy mô nhò hơn truyền bang cáp mành. Một thiết bị có tên gọi là máy thu-phát (Transceiver) nối cáp đồng trục mành với cáp đồng trục dày. Bộ nối cáp đồng trục: Cáp dày và cáp mảnh đều dùng các thành phần nối BNC (British Naval Connector) đề tạo kết noi giữa cáp và máy tính. Bàng 1.1. Bộ nối cáp đồng trục Bộ nối cáp BNC Bộ nối cáp được hàn hoặc kẹp vào đầu cáp Bộ nối cáp BNC chữ T Bộ nối này nối card giao diện mạng trong máy tính với cáp mạng Bộ nối cuối BNC Bộ nối cuối BNC dùng đóng kín đầu cáp Bus nhằm hấp thu các tín hiệu chạy lạc. Nếu không có bộ nối cuối BNC thl mạng Bus sẽ không hoạt động được Bộ nối ống BNC Bộ nối này dùng nối hai đoạn cáp mảnh thành một đoạn dài hơn Một số loại cáp đồng trục. - Cáp RC-8 và RCA-11, 50Q dùng cho mạng Thick Ethernet. - Cáp RC-58, 50Q dùng cho mạng Thin Ethernet. - Cáp RG-59, 75Q dùng cho truyền hình cáp. - Cáp RC-62, 93Q đùng cho mạng ARCnet. Chương 1: Khái niệm cơ bản vê mạng máy tính 21 b) Cáp xoắn đôi Cáp xoắn đôi (Twisted Pair cable) được sù dụng hầu hết trong các loại mạng LAN cục bộ. Cơ bản là giá thành rè, dễ cài đặt, có vỏ bọc tránh nhiệt độ, độ ẩm và có loại có khả năng chống nhiễu STP (Shield Twisted Pair). Cáp cơ bản có 2 dây đồng xoắn vào nhau, giàm độ nhạy của cáp với EMI, giảm bức xạ âm nhiễu tần số radio gây nhiễu. Các loại cáp xoắn: Cáp có màng chan (STP): Khả nâng chống nhiễu càng cao thì tốc độ truyền càng lớn. Loại cáp STP thường có tốc độ truyền vào khoảng lóM biơs trong loại mạng Token Ring. Với chiều dài 100m tốc độ đạt 155Mbit/s (lý thuyết là 500Mbit/s). Suy hao cho phép khoảng 100m, đặc tính EMI cao. Giá thành cao hom cáp Thin Ethernet, cáp xoắn trần, nhưng lại rè hơn giá thành loại cáp Thick Ethernet hay cáp sợi quang. Cài đặt đòi hỏi tay nghề & kỹ năng cao hơn. Loại cáp không có vỏ bọc UTP (Unshield Twisted Pair): loại cáp trần không có khả năng chống nhiễu, tốc độ truyền cao nhất khoảng 100Mbit/s. Đặc tính suy hao như cáp đồng, giới hạn độ dài tối đa 100m. Do thiếu màng chắn nên rất nhạy cảm vói EMI, vì vậy không phù hợp với môi trường các nhà máy. Các loại cáp xoắn được dùng phổ biến cho các loại mạng, giá thành hạ, dễ lắp đặt. c) Cáp sợi quang Cáp sợi quang (Fiber Optic Cable) rất lý tưởng cho việc truyền dữ liệu, vì băng thông cao, tránh nhiễu tốt, tốc độ truyền lớn trên đoạn cáp dài vài km. Cáp sợi quang gồm một hoặc nhiều sợi quang trung tâm được bao bọc bời một lớp vỏ nhựa phản xạ các tín hiệu trở lại vì vậy hạn chế được sự suy hao, mất mát tín hiệu. Cáp sợi quang chi truyền các tín hiệu quang. Khi truyền, các tín hiệu dữ liệu được biến đồi thành các tín hiệu quang truyền trên đường truyền và khi nhận, các tín hiệu quang chuyển thành các tín hiệu dữ liệu. A ;--------------- Cáp sợi quang li___ _______ Hình 1.4. Hình ảnh của sợi quang và cách truyền ánh sáng trong sợi Sợi quang gồm một sợi thuỷ tinh cực mành, gọi là lõi, được bao bọc bời một lớp thuỷ tinh (hoặc bằng chất dèo), đồng tâm gọi là lớp vò bọc. Chất déo dễ lắp đặt nhưng không thề truyền xung ánh sáng đi xa hơn thuỷ tinh. Mỗi sợi thuỷ tinh chi truyền tín hiệu theo một hướng nhất định, do đó cáp có hai sợi nằm trong vỏ bọc riêng biệt. Một 22 Giáo trình Mạng và ĩruỳên dữ liệu sợi truyền và một sợi nhận. Lớp chất déo gia cố bao bọc từng sợi thuý tinh trong khi sợi Kevlar tạo độ chắc chắn. Sợi Levlar ở bộ nối cáp sợi quang đuợc đặt giữa hai sợi cáp. Thông tin truyền qua cáp sợi quang không nhiễu điện và vận tốc cực nhanh trên khoảng cách hàng cây số. Sợi quang truyền tín hiệu dữ liệu dạng số ở dưới dạng xung ánh sáng điều biến. Đây là cách gừi dữ liệu tương đối an toàn do xung điện không được truyên đi qua cáp sợi quang. Điều này có nghĩa là không thể lắp đặt thiết bị nghe trộm vào cáp sợi quang và đánh cắp dữ liệu, một tình trạng vốn có thề xảy ra với cáp đồng truyền dữ liệu duới dạng tín hiệu điện tử. Cáp sợi quang truyền khối lượng lớn dữ liệu với vận tốc rất cao do tín hiệu không bị suy yếu trong quá trình truyền và đo độ trong sạch (không bị nhiễu) cùa tín hiệu. Cáp sợi quang hoạt động một trong hai chế độ: - Chế độ đơn (Single Mode): Cáp chế độ đơn hỗ trợ chỉ một đuờng ảnh sáng và làm việc với ánh sáng. - Đa chế độ (Multi Mode): Cáp đa chế độ được hỗ trợ nhiều đường ánh sáng, phù họp với nhiều nguồn ánh sáng chất lượng thấp, như LED. Giá thành cao hơn chế độ đơn, vì phài hỗ trợ các nguồn ánh sáng laze. Đặc tính cáp sợi quang: Cài đặt cáp sợi quang đòi hòi phài có kỹ năng cao, quy trình khó và phúc tạp. Băng thông có thề đạt 2Gbit/s. Do tín hiệu sử dụng là tín hiệu quang, không là tín hiệu điện, nén nhiễu điện từ bị loại bò. Vì vậy cáp sợi quang có thề truyền tín hiệu với tốc độ 100Mbit/s trên đoạn cáp dài vài km. Mạng xây dựng trên cơ sở cáp quang có một loạt các đặc tính ưu việt hơn hẳn so với các mạng khác. Các ưu điểm đặc biệt cùa cáp quang bao gồm: Độ rộng băng thông lớn: Độ rộng băng khả dĩ của cáp sợi quang có thề đạt tới 300THz với bước sóng A=l um. Với độ rộng băng như vậy có thề coi như vô hạn vì nó có khả năng truyền tới khoảng 3 tỷ kênh thoại hay khoàng 300000 kênh truyền hình chất luợng caa Cự ly trạm lặp xa: Cáp sợi quang ngày nay có đặc tính suy hao rất nhó khoáng 0,2dB/km. Với độ suy hao như vậy cho phép xây dựng tuyến cáp quang với cự ly xa đến 150km mới cần trạm lặp. Tính tương tác yếu: Can nhiễu và hiện tượng giao thoa gây ra tạp âm các loại, bao gôm tạp âm thống kê hay xuyên âm. Đối với hệ thống thông tin số, nhiễu sẽ gây ra lỗi bit. Cáp sợi quang là môi truờng dẫn sóng ánh sáng định hướng, trong đó tín hiệu quang truyền qua không gây phát xạ. Đây là một đặc điểm rất quý báu đối với vấn đề nhiêu và chống nhiễu. Một đặc tính quý khác của cáp sợi quang là sự tương tác rất yếu đôi với sóng điện từ nên nó có tỷ số lỗi bit BER (Bit Error Rate) rất thấp (khoáng Chưcmg 1: Khái niệm ca bản ve mạng máy tính 23 ÌO'10). Nếu so sánh tỷ số lỗi bit trong mạng cáp kim loại với BER khoảng 10'6 thi thấy rõ giá trị quý báu cùa cáp sợi quang. Do những đặc tính này, mạng băng rộng hiện đại không cần phải quan tâm đến chức năng điều khiển và khôi phục sừa lỗi mà chuyên chức năng này cho thiết bị kết cuối mạng và thiết bị đầu cuối thực hiện, nhờ đó tạo điều kiện thuận lợi cho việc tăng cường các tính năng quan trọng khác cùa mạng băng rộng. An toàn, tin cậy: Như trên trình bày, cáp quang là hệ thống hướng sóng trong đó ánh sáng truyền trong cáp phàn xạ toàn phần trong môi trường cáp và không có sự phản xạ. Vì vậy các thiết bị ờ gần cáp quang không thể thu được tín hiệu, nghĩa là vấn đề an toàn và bảo mật tốt hcm các hệ thống khác. Một đặc điểm quan trọng về bảo mật mạng cáp quang là giám sát suy hao tín hiệu tù đầu cuối - tới - đầu cuối. Nếu có sự thay đồi khoảng 0,5dB trở nên trong thời gian ngắn thì đó là dấu hiệu có sự bất thưòng, hoặc có sự cố hệ thống, hoặc có sự xâm nhập trái phép đang diễn ra. Giảm giá thành bảo dưỡng hệ thống'. Giá thành bảo dưỡng thấp cùa hệ thống cáp sợi quang là kết quà gián tiếp nhờ các ưu điểm của cáp sợi quang như cự ly thông tin xa mà không cần trạm lặp, độ rộng băng cao, chất lượng truyền dẫn tốt... Ngoài ra cáp quang không bị ăn mòn, chịu được môi trường nước. Mạng cáp quang hiện nay được tính cho thời gian duy trì trung bình là khoảng 25 năm. Kích thước nhò và nhẹ'. Neu tính hiệu quà tương đương về khả năng thông (tức độ rộng băng) của cáp sợi quang với cáp kim loại thi dễ thấy tính ưu điềm vượt bậc của cáp sợi quang. Ví dụ một đôi cáp quang song hướng có băng thòng là 2,48Gbit/s, tương đương 96 đôi cáp đồng trục hoạt động trong luồng 45Mbit/s hay 2688 đôi cáp đối xứng hoạt động trong luồng tín hiệu l,544Mbit/s. Tăng độ rộng băng thông trong cùng một sợi quang'. Việc nâng cao tốc độ trong tuyến thông tin trước đây là khó khăn. Trong mạng cáp quang hiện đại, độ rộng băng thông của cáp quang cho phép tốc thay đổi độ trao đồi thông tin dễ dàng bằng cách thay đồi các cấu kiện sử dụng trong thiết bị đầu cuối với tốc độ 155Mbit/s, thay máy thu/phát tuyến cáp quang có thể truyền sang hoạt động với tốc độ 622MbiƯs. Bàng 1.2. Bàng so sánh các loại cáp Đặc điểmCáp đồng trục mảnh Phl tổnCao hơn cảp Cáp đồng trục dầyCáp xoắn đôi Cáp sợi quang Cao hơn xoắn đồi cáp đồng trục mảnh Thấp nhát Cao nhất Độ dài cáp 185m 500m 100m 2km Tốc độ 10Mbit/s 10MbiƯs 10-1 OOMbit/s Trẽn 100Mbiưs Độ mềm dẻoKhá mềm dẻo Hơi cứng Mềm dẻo Cứng 24 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu Đặc điểmCáp đồng trục mảnh Cáp đồng trục dầyCáp xoắn đôi Cáp sợi quang Lắp đặt Dễ lắp đặt Dễ lắp đặt Rất dễ lắp đặt Khó lẳp đặt Kháng nhiễu Tốt Tốt Dễ bị nhiễu Không bị tác động Tính chất đặc trưng Rẻ hơn cáp xoắn đồi Rẻ hơn cáp xoắn đôiLắp đặt trong nhà Chấp nhận àm thanh và hlnh ảnh Cách dùng phổ biến Phạm vi rộng, có yêu cầu bảo mật cao Cáp trần phạm vi hẹp. Cáp vỏ bọc-Token Ring quy mô bất kỳ Cài đặt đòi hỏi tốc độ, độ bảo mật cao và tính toàn vẹn của dữ liệu 1.6.5 Các phương tiện vô tuyến a) Đường truyền vệ tinh Vệ tinh Hình 1.5. Truyền dẫn vệ tinh: điểm - điếm Sô liệu có thê được truyền bằng sóng điện từ qua không gian như trong các hệ thông thông tin vệ tinh. Một chùm sóng vi ba trực xạ trên đó mang số liệu đã được điều chê, được truyên đên vệ tinh từ trạm mặt đất. Chùm sóng này được thu và được truvền lại đên các đích xác định trước nhờ một mạch tích họp thường được gọi là Transponder. Một vệ tinh có nhiêu Transponder, mỗi Transponder đảm trách một băng tân đặc biệt. Môi kênh vệ tinh thông thường đều có một băng thông cực cao (5000MHz) và có thê cung câp cho hàng trăm liên kết tốc độ cao thông qua kỳ thuật ghép kênh. Các vệ tinh dùng cho mục đích liên lạc thường thuộc dạng địa tĩnh, có nghĩa là vệ tinh bay hêt quỹ đạo quanh trái đất trong 24 giờ nhằm đồng bộ với sự quay quanh mình của trái đât và do đó vị trí của vệ tinh là đứng yên so với trái đất. Quỹ đạo của vệ tinh được chọn sao cho đường truyền thẳng tới trạm thu phát ở mặt đất. Mức độ chuân trực của chùm sóng truyền lại từ vệ tinh có thề không cao để tín hiệu có thể trực Chương 1: Khái niệm cơ bản ve mạng máy tính 25 tiếp nhận trên một vùng rộng lớn, hoặc có thể hội tụ tốt đề chỉ thu được trên một vùng giới hạn. Trong trường hợp thứ hai tín hiệu có năng lượng lớn cho phép dùng các bộ thu có đường kính nhó hơn thường gọi là chào Parabol, là các đầu cuối có độ mở rất nhỏ hay VSAT. Các vệ tinh được dùng rộng rãi trong các ứng dụng truyền số liệu từ liên kết các mạng máy tính của quốc gia khác nhau cho đến cung cấp các đường truyền tốc độ cao cho các liên kết truyền giữa các mạng trong cùng một quốc gia. Một hệ thống thông tin vệ tinh thông thường được trình bày như hình 1.5, có một đường dẫn đơn hướng song công được sử dụng trong hầu hết các ứng dụng thực tế với các đường lên (Up link) và kênh hướng xuống (Down link) liên kết với mỗi trạm mặt đất hoạt động với các tần số khác nhau, cấu hình khác có liên quan đến trạm mặt đất trung tâm liên lạc với một số trạm VSAT phân bố trên phạm vi quốc gia. Để truyền thông tin với một VSAT nào đó, trung tâm sẽ quàng bá thông điệp với danh định của VSAT đật tại đàu cùa thông điệp. Trong hoạt động thông tin giữa VSAT với VSAT, tất cả các thông điệp đều phải gừi đến trung tâm thông qua vệ tinh, tại đây chúng sẽ quàng bá đến các đối tác tham gia. Với thế hệ vệ tinh kế tiếp mạnh hơn, sẽ có khả năng định tuyến trên vệ tinh mà không cần đến trạm trung tâm. Và còn có thề liên lạc trực tiếp giữa các VSAT. Trạm trung tâm Hình 1.6. Truyên dân vệ tinh: Đa điềm Đường truyền viba: Các liên kết viba mặt đất được dùng cho các liên kết thông tin khi không thể hay quá đắt tiền để thực hiện một môi trường truyền vật lý, ví dụ khi vượt sông, sa mạc, đồi núi hiểm trở... Chùm sóng viba trục xạ đi xuyên ngang môi trường khí quyển, nó có thể bị nhiễu bời nhiều yếu tố như địa hình và các điều kiện bất lợi khác. Trong khi đối với một liên kết vệ tinh thì chùm sóng đi qua khoảng không gian tự do hơn nên ảnh hưởng của các yếu tổ này ít hem. Tuy nhiên, liên lạc viba trực xạ xuyên môi trường khí quyển có thể dùng một cách tin cậy cho cự li truyền dài hơn 50km. Đường truyền vô tuyến: Sóng vô tuyến tần số thấp cũng được dùng thay thế các liên kết hữu tuyến có cự ly vừa phải thông qua các bộ thu phát khu vực. Ví dụ kết nối 26 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu một số lớn các máy tính thu thập số liệu bố trí trong một vùng đến một máy tính giám sát số liệu từ xa, hay kết nối các máy tính trong một thành phố đến máy cục bộ ờ xa. Có lẽ rất tốn kém khi lắp đặt các hữu tuyến cho các ứng dụng như vậy. Sóng vô tuyến thường được dùng để thực hiện các liên kết không dây giũa một điềm kết cuối hữu tuyến và các máy tính phân tán. Một trạm phát vô tuyến được gọi là trạm gốc được đặt tại điểm kết cuối hữu tuyến, như hình 1.7, cung cấp một liên kết không dây giữa các máy tính và trung tâm. Cần nhiều trạm gốc cho các yêu cầu úng dụng phạm vi rộng và mật độ phân bố người sử dụng cao. Phạm vi bao phù cùa mỗi trạm gốc là giới hạn, do sự giới hạn nguồn phát cùa nó chi đù kênh để hỗ trợ toàn bộ tài trong phạm vi đó. Phạm vi rộng hơn có thể được bằng cách tổ chức đa trạm theo cấu trúc tế bào (Cell). Trong thực tế, kích thước cùa mỗi tế bào thay đổi và được xác định bời các yếu tố như mật độ đầu cuối và địa hình cục bộ. Mỗi trạm gốc dùng một dải tần khác nhau với trạm kế tiếp. Tuy nhiên, vì vùng phù cùa mỗi trạm có giới hạn nên có thể dùng lại băng tần cùa nó cho các phần khác cùa mạng. Các trạm gốc được kết nối thành mạng hữu tuyến. Thông thường, tốc độ số liệu cùa mỗi máy tính trong một tế bào đạt được vài chục kbit/s. Hình 1.7. Truyền dẫn vó tuyến Dạng tô chức tương tự có thể được dùng trong một toà cao ốc đề liên kết không đây cho thiết bị máy tính trong mỗi phòng. Trong các trường hợp như vậy, một hay nhiều trạm gốc sẽ đặt trên mỗi tầng nhà và kết nối đến mạng hữu tuyến. Mỗi trạm gốc cung câp các liên kêt không dây đến mạng hữu tuyến cho tất cà các máy tính thuộc phạm vi cùa nó. Nhờ vậy sẽ không còn phài bận tâm đến việc chạy dây khi một máy tính được lăp đặt hay mới bò đi, nhưng cần phải cung cấp một đơn vị vô tuyến để chuyên sô liệu sang dạng tín hiệu vô tuyến và ngược lại. Tốc độ truyền thường thấp hơn đường hữu tuyến. Chưcmg 1: Khái niệm cơ bán ve mạng máy tính 27 1.7 CÁC PHƯƠNG THỨC TRUYỀN s ổ LIỆU Các phương thức truyền số liệu bao gồm truyền nối tiếp và song song, đồng bộ, không đồng bộ và đẳng thời (chiếm cùng một thời gian), đơn công và song công. 1.7.1 Truyền thông nối tiếp và song song Truyền nối tiếp (Serial Communications) là phương thức truyền các bit của một ký tự được truyền đi theo thứ tự, mỗi lần một bit qua một kênh thông tin duy nhất. Phương thức truyền thông này bị hạn chế bởi tốc độ của đường truyền. Truyền song song (Parallel Communications) là phương thức truyền trong đó tất cà các bit của một ký tự được truyền đi đồng thời trên các kênh tách biệt nhau, số lượng bit được truyền đi đồng thời thay đổi tuỳ thuộc vào thiết bị. Mặc đù phương thức truyền song song có tốc độ cao hơn truyền thông nối tiếp, nlnmg vẫn tồn tại một vài hạn chế nhu đòi hòi phài thiết kế các tuyến truyền thông tương đối phức tạp qua một hệ thống cáp nhiều sợi. Hơn nữa, khoảng cách tuyến truyền càng xa thì mức suy giảm tín hiệu điện càng cao. Chinh vì thế mà trong hầu hết các ứng dụng mạng, phương thúc truyền song song chi áp dụng cho các thiết bị ngoại vi được kết nối trực tiếp đến hệ thống cũng như truyền thông giữa các hệ thống có khoảng cách tương đối gần. Ngược lại, phương thức truyền nối tiếp có cấu trúc đường truyền đcm giàn, tốc độ truyền thấp nhưng cho phép truyền dữ liệu qua các hệ thống thông tin hiện hữu, được ứng dụng rộng rãi trong các tuyến kết nối giữa thiết bị đầu cuối với hệ thống, kênh truyền thuê riêng qua mạng điện thoại, các tuyến thông tin vệ tinh, đường truyền quang tốc độ cao. Nhược điểm về tốc độ truyền trong phương thức truyền thông nối tiếp đã được khắc phục nhờ áp dụng công nghệ truyền tín hiệu tốc độ cao như công nghệ USB cung cấp một giao diện ‘Multimegabit’ không chi thay thế cho các nhu cầu cùa cồng song song trên máy tính mà còn cho phép kết nối đến 128 thiết bị với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn. 1.7.2 Các phương thức truyền thông đồng bộ, không đồng bộ và đẳng thời Đối với phương thức truyền thông nối tiếp, bộ thu phải nhận được thông tin kết thúc của một đơn vị dữ liệu phát đi. Có 3 phương pháp nhận biết: Phưcmg thức truyền thông đồng bộ (Synchronous Methods) là phía thu cần được đồng bộ đề phía phát luôn nhận biết được khi nào một ký tự mới sẽ được phát đi. Quá trinh trao đồi thông tin giữa hai node được giám sát bởi mỗi node, nghĩa là tất cả các hoạt động truyền dữ liệu được đồng bộ chặt chẽ giữa hai node. Quá trình truyền thông đồng bộ gắn liền với tín hiệu đồng hồ hệ thống. Phương thức truyền thông không đồng bộ (Asynchronous Methods) được thực hiện bàng cách chèn vào dòng dữ liệu các bit đặc biệt đánh dấu bắt đầu hoặc kết thúc một đơn vị dữ liệu. Vì vậy dữ liệu có thề được truyền đi không cần chờ thông báo từ phía thu, phía thu không cần biết điểm thời gian bắt đầu chuỗi dữ liệu được gừi đi cũng 28 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu nhu chiều dài cùa bản tin. Đường truyền không đồng bộ duy trì trạng thái rỗi cho đến khi có dữ liệu sẵn sàng đề gừi đi. Một chuỗi các bit đặc biệt cần được gừi đến phía thu để thông báo rằng sắp có dữ liệu truyền đến. Khi kết thúc quá trinh truyền, phía thu cũng cần được thông báo rằng phiên truyền đã kết thúc để đường truyền đuợc trà về trạng thái rỗi. Phương thức truyền thông đẳng thời (Isochronous) là thoà thuận truớc tốc độ truyền dữ liệu giữa các thiết bị và đua ra một tốc độ phân phát dữ liệu liên tục theo bit. Nguyên thủy của phương thức này phục vụ cho các nhu cầu dịch vụ phân phát thông tin Video nguyên vẹn và bất biến qua các phương tiện truyền thông. Chẳng hạn việc truyền tin hiệu TV yêu cầu chính xác 30 khung hình ảnh trong một giây, bàng cách thiết lập băng thông và tốc độ bất biến (CBR) cho ứng dụng truyền Video. Các mạng ATM, SONET và Ethernet song công có khà năng truyền thông đẳng thòi. Phương thức truyền thông đồng bộ có chi phí cao hơn truyền thông không đồng bộ vì cần đến cơ chế đồng hồ phức tạp thiết kế bởi phần cứng. Tuy nhiên việc loại bò được các thông tin chèn thêm trong truyền thông đồng bộ giúp cài thiện được thông lượng (tức là lượng thông tin thục sự được truyền đi trong một đơn vị thời gian) cùa mạng và khả năng phát hiện lỗi. Phương thức truyền thông đồng bộ được sử dụng trong các đường kết nối tốc độ cao. Phương thức truyền thông đẳng thời chưa được sú dụng nhiều và có xu hướng mở rộng cùng với xu hướng hội tụ của dữ liệu thoại, số liệu và video qua cùng một phương tiện truyền thòng. 1.7.3 Các chế độ truyền dữ liệu Các phương thức truyền thông dữ liệu có các chế độ truyền đơn công, truyền bán song công và truyền song công. Tương ứng với mỗi chế độ truyền xác định các giao thức mà các thiết bị tuân theo khi truyền dữ liệu. Chế độ truyền đơn công (Simplex Transmission) chỉ cho phép dữ liệu được truyền đi theo một hướng duy nhất. Một thiết bị sẽ đóng vai trò là bộ phát và thiết bị kia sẽ đóng vai trò là bộ thu. Các vai trò này là không thể thay đổi được. Một ví dụ cho phương thức truyền này là việc phát tín hiệu truyền hình, máy phát trung tâm sê phát tín hiệu nhưng không nhận tín hiệu trả lời vì các máy thu không thể phát lại tín hiệu trà lời lại máy phát. Chê độ truyên bán song công (Haft Duplex) cho phép dữ liệu được truyền đi theo bât cứ chiêu nào nhưng tại mỗi thời điểm chi cho phép một đơn vị dữ liệu được truyền đi. Khi một nođe nào đó truyền dữ liệu đi thì nó không thể nhận dữ liệu truyền đến và ngược lại. Chế độ truyền song công cho phép gửi và nhận dữ liệu theo cà hai chiều đồng thời. Chế độ này có thể được xem như sự kết hợp cùa hai đường truyền ờ chế độ đơn công nguợc chiều nhau. Chương 1: Khái niệm cơ bản vé mạng máy tính 29 1.8 THÔNG TIN TƯƠNG Tự VÀ THỐNG TIN số 1.8.1 Thông tin tương tự Thuật ngữ tương tự (Analog) là nói đến các thiết bị hoặc tín hiệu mà nó có thể thay đổi liên tục cường độ hoặc số lượng chu kỳ. Ví dụ điện áp trên một mạch. Thông tin tương tự là nói đến phương thức thông tin dựa trên nguyên tắc tương tự. Thông tin tương tự được dùng trong điện thoại, modem, fax, truyền hình cáp... Trong truyền thông máy tính, dữ liệu được truyền qua kênh truyền từ nguồn đến đích dưới dạng tín hiệu điện. Thông tin tương tự là tín hiệu truyền qua một đôi dây dưới dạng sóng điện từ, các tín hiệu xuất hiện dưới dạng sóng liên tục hình sin. Hình 1.8. Tín hiệu sóng hình sin Trong thông tin dữ liệu, dữ liệu biểu diễn ở dạng tương tự bằng cách biến đổi điện áp của sóng tín hiệu (điều chế biên độ AM), biến đổi tần số (điều tần - FM), biến đổi pha (điều pha - PM). Một số nhược điểm và hạn chế của hệ thống tương tự: - Tín hiệu tương tự rất đa dạng và tính chất của chúng rất khác nhau về quy luật biến thiên theo thời gian, dải tần số, độ rộng bãng tần của các tín hiệu thoại, truyền thanh, truyền hình... Vì vậy ứng với mỗi loại tín hiệu cần phài có các hệ thống thiết bị pháưthu lưu trữ và xử lý theo các phương tiện và công nghệ khác nhau. Dần tới phài có quá nhiều chủng loại thiết bị kỹ thuật và công nghệ cần sử dụng, do đó gày ra những khó khăn trong việc thiết kế, chế tạo khai thác, bào dưỡng sữa chữa... và đặc biệt là việc hội tụ mạng là không thê. - Trong quá trình trao đổi thông tin, tạp âm sẽ tích luỹ trong tín hiệu tương tự và không thể lọc tách hoàn toàn ảnh hưởng của các tạp âm. Làm ành hưởng tới chất lượng thông tin. - Cự ly cùa hệ thống tương tự bị hạn chế. - Công nghệ xừ lý tín hiệu tương tự nói chung là khá phức tạp và đa dạng. Mật độ tích hợp thấp, cần công suất tiêu thụ cao và có giá thành cao, khó tự động hoá quá trình sàn suất. 30 Giáo trinh Mạng và Truỳén dữ liệu 1.8.2 Thông tin số Vì các hạn chế cùa hệ thống tuơng tự mà yêu cầu cần phài số hoá trong hệ thông thông tin. Thuật ngữ số (Digital) là nói đến các thiết bị hoặc tín hiệu mà nó được mã hoá ở dạng nhị phân (bit). Thuật ngữ thông tin số là nói đến các phuơng pháp thông tin dựa trên nguyên tắc số. Mã nhị phân là một hệ thống được sử dụng để biểu diễn giá trị các ký tự dưới dạng 0 và 1. Hầu hết các dạng tín hiệu có thề được biến đổi sang dạng số, kề cả các tín hiệu tương tự truyền thống là thoại và video. Trong thông tin số, tín hiệu đuợc mã hoá dưới dạng 0 và 1. Tín hiệu số chi có hai trạng thái: 1 tuơng ứng với on, có nguồn cung cấp, 0 tương ứng với off, không có nguồn cung cấp. Mỗi loại tín hiệu số có một chi tiêu cụ thể về dài giá trị của dòng điện đe biểu diễn các trạng thái 0 hoặc 1. Ví dụ về giao tiếp chuẩn RS-232, bit 0 được biểu diễn bời giá trị điện áp giữa -5V và -15V, bit 1 được biểu diễn bởi giá trị điện áp giữa + 5V và +15V. 1 (Cao) ...... ............ ................ ...... ............. 0 (Thấp) ___ __ ______ ______ _____ Hình 1.9. Minh họa các trạng thái cùa tín hiệu số Biên độ (V) 1:1:1 1 Thời gian 0 ; 0 0 Hình 1.10. Ví dụ về giao tiếp noi tiếp chuẩn RS-232 Trong hình trên, từ -5V đến +5V là khoảng trống dành cho các tín hiệu điện ngẫu nhiên, gọi là nhiễu. Nếu phía thu nhận tín hiệu +3V, không có gì xảy ra. Phía thu xem đó không phải là 0 cũng không phải là 1. Ngược lại, nếu phía thu nhận tín hiệu trên +15V, thì cà phía phát và thu ngừng liên lạc. Một số ưu điểm hệ thống số: - Ưu điềm lớn nhất của hệ thống số là khà năng tích hợp các loại dữ liệu, hình thành các dịch vụ đa phương tiện và đa dịch vụ. - Có thể tập trung cao và tiết kiệm không gian, vì thiết bị số thường nhò gọn. Chương 1: Khái niệm ca bản vẽ mạng máy tính 31 - Khả năng chống nhiễu cùa tín hiệu số là rất cao, vì vậy chất lượng cùa dịch vụ sẽ cao hơn. - Tốc độ và dải tần hoạt động của tín hiệu số lớn. - Thuận tiện ghép kênh. - Giá thành cùa các thiết bị số ngày càng giàm nhờ sự phát triển của khoa học kỹ thuật. - Là ngôn ngữ giao tiếp giữa người và máy tính. 1.9 CÁC CÔNG NGHỆ TRUYỀN s ố LIỆU 1.9.1 Giói thiệu Chuyền mạch là một quá trình kết nối một thực thể nguồn đến một thực thể đích tương ứng. Hai phương thức chuyển mạch được sử dụng trong truyền thông số liệu và mạng máy tính là chuyển mạch kênh và chuyển mạch gói. Nói chung việc thiết kế và ứng dụng hai hệ thống chuyển mạch này có nhiều điểm chung. Tuy vậy trong phạm vi phần này ta sẽ chú trọng hơn tới kỹ thuật chuyển mạch kênh. Còn kỹ thuật chuyển mạch gói sẽ được nói kỹ ờ phần sau. 1.9.2 Chuyển mạch kênh Chuyền mạch kênh (Circuit Switched) được định nghĩa là kỹ thuật chuyển mạch đàm bảo việc thiết lập các đường truyền dẫn dành riêng cho một quá trình trao đồi thông tin giữa hai hay nhiều thực thể khác nhau. Chuyển mạch kênh được ứng dụng cho ứng dụng thời gian thực. Nghĩa là quá trình chuyển mạch không có sự chậm trễ và độ trễ biến thiên giữa nơi thu và nơi phân phối tin hay ở bất kì phần nào của hệ thống. Mạng điện thoại công cộng là một ví dụ về úng dụng kỹ thuật chuyển mạch kênh. Chuyền mạch kênh tín hiệu số là quá trình kết nối, trao đổi thông tin các khe thời gian giữa một số đoạn của tuyến truyền dẫn TDM số. Có hai cơ chế thực hiện quá trình chuyển mạch kênh tín hiệu số. Cơ chế chuyển mạch không gian số và cơ chế chuyển mạch thời gian số. Tổ chức một kênh thông tin đơn giản bằng cách kết nối trực tiếp 2 thiết bị thông tin lại với nhau, trên thực tế khó có thể thực hiện được, vì khoảng cách giữa các thực thể có thể rất xa, hàng nghìn km. Nếu có N thực thể, cần phái có N (N -l)/2 đường kết nối trục tiếp hai thực thể bất kỳ với nhau. Như vậy tại mỗi một điềm có (N -l) đường vào hoặc ra. Do đó, giá thành cùa hệ thống sẽ tỷ lệ bình phương số điểm cần liên lạc. Trong kỹ thuật thông tin nói chung, các thuê bao thường không có nhu cầu kết nổi liên tục tới tất cả các điềm (trừ đường kênh thuê riêng) và cũng không trao đổi thông tin liên tục trên kênh đã kết nối. Lợi dụng đặc tính này người ta tạo ra những phần kênh có thề dùng chung cho nhiều thực thề thông tin mà vẫn thoả mân đầy đủ các yêu cầu kết nối. 32 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu Hình 1.11. Ví dụ về chuyển mạch kênh Giả sử có 3 node 1, 2 và 3 là các bộ chuyền mạch và các thuê bao A, B, c , E, N, K ... Giữa node 1 và 2, giữa node 2 và 3 nối với nhau bằng các trung kế TI và T2. Giả sừ thuê bao A có nhu cầu trao đổi thông tin với thuê bao E. Hệ thống sẽ điều khiển thực hiện tuần tự các tiến trình như sau: Trước khi trao đổi thông tin, hệ thống sẽ thiết lập kết nối giữa A và E như sau: vì A là thuê bao cùa node 1, khi nhận được yêu cầu kết nối cùa A tới một địa chỉ bên ngoài node, bộ chuyển mạch sẽ kết nối A tới trung kế TI nếu TI có trạng thái rỗi và gùi yêu cầu kết nối cùa A tới node 2 tiếp theo. Sau khi kiểm tra địa chỉ đích theo yêu cầu của A không là thuê bao của node 2, bộ chuyển mạch node 2 sẽ kiểm tra trạng thái của trung kế T2 và nếu bận thì cuộc gọi sẽ bị huỷ bò, nếu T2 rỗi sẽ kết nối A vào T2. Node 3 sẽ kiểm tra đường tới E nếu bận sẽ huỳ bò yêu cầu kết nối, nếu E rỗi sẽ kết nối A tới E. Như vậy trước khi các thực thể trao đồi thông tin với nhau, giữa các node xác định một chuỗi tuần tự các liên kết vật lý. Hệ thống sẽ kiểm tra trạng thái cùa đường truyền, nếu rỗi (free) một kênh truyền cố định end-to-end sẽ được xác lập giữa 2 thực thể đó, ngược lại nếu bận (Busy) chuỗi liên kết sẽ bị huỷ bỏ. Trao đối thông tin: Bộ điều khiển cùa hệ thống sẽ đàm bào duy trì đường kết nối đã được thiết lập trong suốt quá trình trao đồi thông tin giữa 2 thực thể. Giải phóng kết noi\ Khi cuộc gọi kết thúc (một trong 2 thực thể có yêu cầu kết thúc), bộ điều khiển cùa hệ thống sẽ ngát kết nối, giải phóng các tài nguyên đã bị chiếm dụng đề sẵn sàng phục vụ các yêu cầu kết nối khác. Quá trình thiết lập, duy trì và huỷ bò một kết nối như trên gọi là chuyển mạch kênh. Các node thực hiện chuyển mạch kênh được gọi là bộ chuyển mạch kênh. Ưu điểm của chuyển mạch kênh so với việc thiết lập các đường vật lý cố định cho tất cà các cặp thuê bao là làm giảm đáng kể số lượng các đường vật lý cho việc kết nối, làm giảm giá thành mạng lưới... Nhược điểm cùa nó là cần nhiều thời gian để thiết lập kênh truyền, vì vậv thời gian thiêt lập kênh chậm và xác suất kết nối không thành công cao. Khi cà hai không còn thông tin để truyền, kênh bị bò không trong khi các thực thể khác có nhu cầu. Nói Chương 1: Khái niệm cơ bán vẽ mạng máy tính 33 cách khác trong quá trinh 2 thực thể trao đôi truyên thông với nhau, không còn gì đê truyền nhưng thực thể thứ 3 có nhu cầu không được tham gia chia sè đường truyền. Và trên một kênh truyền vật lý đã được xác lập chỉ có một truyền thông hoạt động. Dư thừa băng thông, chi phí xây dựng cao. 1.9.3 Chuyển mạch gói Nhóm lưu lượng truyền số liệu được đặc trưng bởi độ dài bàn tin tương đối ngắn (<2000bit) và thường có yêu cầu tốc độ trao đồi thông tin rất nhanh và do đó thời gian truyền tin rất ngắn ( CONNECT.Req Thiết lập Liên kết Truyền ^ CONNECT.Conf DATA. Frames ----- CONNECT.Ind ----- CO N NECT.Res------ -------- DATA.Ind -------> <----- DATA. Res ------- Dữ liệu Giải phóng Liên kết ^_______ DATA.Conf —ACK. Frames DISCONNECT.Req DISC DISCONNECT.Ind <---------------------------- DISCONNECT.Conf ACK. Frames DISCONNECT.Res Hình 2.9. Biểu diễn các hàm dịch vụ nguyên thủy trong giao thức HDLC Ví dụ sơ đồ các hàm dịch vụ nguyên thuỳ được sử dụng trong giao thức HDLC: - Tầng 3 hệ thống A gửi CONNECT.Req xuống tầng 2 yêu cầu kết nối. - Tầng 2 hệ thống A gửi yêu cầu thiết lập phương thức cân bằng dị bộ SABM (Set Asynchronous Balance Mode) sang tầng 2 của hệ thống B, yêu cầu thiết lập số thứ tự của N(S) và N(R) bằng 0. và kích thước cửa sổ bàng 7. - Tầng 2 hệ thống B chi báo lên tầng 3 hệ thống B bằng hàm CONNECT.Ind. - Tầng 3 hệ thống B trả lời tầng 2 hệ thống B bằng hàm CONNECT.Res. - Tầng 2 hệ thống B trả lời thiết lập phương thức cân bàng dị bộ SABM. - Nhận trà lời, tầng 2 cùa hệ thống A gừi xác nhận lên tàng 3 hệ thống A bằng hàm CONNECT.Conf. 56 Giáo trình Mạng và ĩruỳén dữ liệu Kết thúc yêu cầu thiết lập giữa 2 hệ thống. Tương tự quá trình truyền dù liệu, sú dụng các hàm DATA.Req, DATA.Frames, DATA.Ind, DATA.Res, ACK.Frames và DATA.Conf. Giai đoạn giải phóng liên kết có các hàm DISCONNECT.Req, DISC, DISCONNECT Ind, DISCONNECT. Res, ACK.Frames và DISCONNECT.Conf. 2.2.7 Quan hệ giữa dịch vụ và giao thức Mỗi một lớp giao thức có hai đặc trưng: đặc trưng dịch vụ và đặc trưng giao thúc. Đặc trưng dịch vụ là các tham số dịch vụ trong các hàm nguyên thủy. Thông qua các tham số dịch vụ mà các tầng ờ trên có thể giao tiếp với đồng tầng trong hệ thống khác. Đặc trung giao thức bao gồm: - Khuôn dạng PDU được sử dụng trong các giao thức tầng. - Các tham số địch vụ sử dụng cho mỗi một loại PDU. - Phương thức hoạt động cùa thực thể giao thức. Một thực thể bên phát có yêu cầu thiết lập một kết nối để gừi các gói tin. Thực thể bên nhận sau khi nhận thông điệp yéu cầu kết nối từ thực thề bên phát, thực thể bên nhận sẽ chi báo kết nối và sau đó sử dụng hàm dịch vụ nguyên thùy trá lời kết nối để trả lời cho bên phát, rằng yêu cầu kết nối đã được chấp nhận hoặc không được chấp nhận. Và cuối cùng, thực thể bên phát có yêu cầu kết nối sẽ nhận được trả lời thông qua hàm dịch vụ nguyên thùy xác nhận kết nối. Các tham số trong hàm dịch vụ nguyên thủy yêu cầu kết nối phải đặc trưng cho máy sẽ được kết nối. Loại dịch vụ, kích thước tối đa cùa gói tin được mô tà trong yéu cầu kết nối. Tham số cùa hàm dịch vụ nguyên thùy chi báo kết nối phải bao gồm nhận dạng địa chỉ nguồn, loại dịch vụ được yêu cằu và kích thước tối đa gói tin đề nghị được sừ dụng... Neu thực thề cung cấp dịch vụ không đồng ý với kích thước gói tin đề nghị, sẽ đuợc phàn ánh trong các thành phần tham số của hàm dịch vụ nguyên thủy đáp ứng và sẽ được thực thể yêu cầu cung cấp dịch vụ ban đầu tìm thấy trong hàm dịch vụ nguyên thủy xác nhận. Các chi tiết thương lượng, đàm phán giữa các thực thể đồng tầng là một trong các chức năng cùa giao thức tầng. Dịch vụ và giao thức là những khái niệm khác nhau. Một dịch vụ là một tập các thao tác của các thực thể (thủ tục) cùa tầng cung cấp dịch vụ cho các hoạt động các thực thể cùa tầng trên kề nó. Dịch vụ tầng được định nghĩa trong suốt đối với đối tượng sử dụng dịch vụ, không cần biết các thao tác đó được thực hiện như thế nào. Một dịch vụ liên quan đến giao diện giữa hai tầng, qua các điểm truy nhập dịch vụ, tầng dưới là tầng cung cấp dịch vụ và tầng trên là tầng sừ dụng dịch vụ. Ngược lại, một giao thức là một tập các quy tắc, quỵ ước về kết nối, ngữ nghĩa, định dạng, ý nghĩa cùa khung, gói hoặc bản tin... được các thực thể đồng tầng đàm phán, thương lượng với nhau. Các thực thể sừ dụng giao thức để thực hiện sự xác định Chương 2: Kiẽn trúc mạng và mô hình kêí nôi các hệ thõng mờ OS1 57 các dịch vụ. Các thực thể có thể sử dụng giao thức khác nhau, phụ thuộc vào nhu câu cùa mạng và sự thực hiện giao thức là trong suốt đối với người sử dụng. Trong nhiều mô hình kiến trúc phân tầng chưa làm rõ và phân biệt khái niệm dịch vụ và giao thức. Ngày nay trong các công nghệ mạng hiện đại, các nhà thiết kế mạng rất coi trọng khái niệm dịch vụ và giao thức. 2.2.8 Ý nghĩa cấu trúc phân tầng của mạng máy tính - Thuận tiện trong công tác thiết kế, xây dựng và cài đặt mạng máy tính, trong đó mỗi hệ thống thành phần được coi là một cấu trúc đa tầng - Mỗi tầng được xây dựng trên cơ sở tầng liền kề trước nó, như vậy tầng duới sẽ cung cấp dịch vụ cho tầng trên - Số lượng, tên gọi và chức năng mỗi tầng sẽ được người thiết kế mạng máy tính cụ thể quy định - Tập các giao thức, các vấn đề kỹ thuật và công nghệ cho mỗi tầng có thể được khảo sát, nghiên cứu và triển khai độc lập với nhau 2.2.9 Các vấn đề cần phải giải quyết khi thiết kế các tầng - Cơ chế kết nối, giài phóng kết nối: mỗi một tầng cần có một cơ chế để thiết lập kết nối và có một cơ chế để kết thúc kết nối khi mà sự kết nối là không cần thiết - Các quy tắc truyền dữ liệu: Trong các hệ thống khác nhau dữ liệu có thể truyền theo một số cách khác nhau: + Truyền một hướng (Simplex) + Truyền hai hướng đồng thời (Full-duplex) + Truyền theo cả hai hướng luân phiên (Half-duplex) - Kiểm soát lỗi: Đường truyền vật lý nói chung là không hoàn hảo, cần phải thoà thuận dùng một loại mã đề phát hiện, kiểm tra lỗi và sừa lỗi. Phía nhận phải có khả năng thông báo cho bên gửi biết các gói tin nào đã thu đúng, gói tin nào phát lại. - Độ dài bàn tin: Không phải mọi quá trình đều chấp nhận độ dài gói tin là tuỳ ý, cần phài có cơ chế để chia bàn tin thành các gói tin đù nhò. - Thứ tự các gói tin: Các kênh truyền có thể giữ không đúng thứ tự các gói tin, do đó cần có cơ chế đề bên thu ghép đúng thứ tụ ban đầu. - Tốc độ phát và thu dữ liệu: Bên phát có tốc độ cao có thề làm “lụt” bên thu có tốc độ thấp. Cần phải có cơ chế đề bên thu báo cho bên phát biết tình trạng đó đề điều khiển lưu lượng hợp lý. 2.3 MÔ HÌNH KÉT NÔI CÁC HỆ THỐNG MỞ OSI Mô hình kết nối các hệ thống mở OSI là mô hình căn bản về các tiến trình truyền thông, thiết lập các tiêu chuẩn kiến trúc mạng ờ mức quốc tế, là cơ sờ chung đề các hê 58 Giáo trình Mạng và Truỵen dữ liệu thống khác nhau có thể liên kết và truyền thông được với nhau. Mô hình OSI tô chức các giao thức truyền thông thành 7 tàng, mỗi một tầng giải quyết một phần hẹp cùa tiên trình truyền thông, chia tiến trinh truyền thông thành nhiều tầng và trong môi tâng có thể có nhiều giao thức khác nhau thực hiện các nhu cầu của một môi trường truyên thông cụ thể. Các tầng được xếp lên nhau thành chồng giao thức (Protocol Stack) có khà năng giải quyết trọn vẹn một cuộc liên lạc giữa các thành phần cùa mạng. Nói cách khác, chồng giao thức là một tập các giao thức được xếp chồng lên nhau, các giao thức đó có thề tuơng thích với nhau được cài đặt trên một máy cụ thể và cùng thực hiện một tiến trình truyền thông hoàn chỉnh. Các hoạt động cùa tầng dưới cung cấp các dịch vụ cho các hoạt động cùa tầng trên. Như vậy giao thức nằm dưới đáy cùa chông giao thúc phải là giao thức vật lý truyên tin giữa các máy với nhau. Hai thực thè có thê truyên thông với nhau nếu được cài đặt cùng một chồng giao thức hoặc các chông giao thức tương thích với nhau. 2.3.1 Nguyên tắc định nghĩa các tầng hệ thống mở Theo mô hình OSI chucrng trình truyền thông được chia ra thành 7 tầng với những chức năng phân biệt cho mỗi tầng, bao gồm hai phần: - Định nghĩa dịch vụ: xác định loại dịch vụ mà tầng đó cung cấp. - Đặc tính cùa giao thức: chi tiết các quy luật chi phối, quàn lý việc thực thi một dịch vụ cụ thể. Host A Host B Application Presentation Session Transport Network Datalink Physical Router Network Datalink Physical Đường truyền vặt lý Hình 2.10. Mô hình tham chiếu OS1 Application Presentation Session Network Transport Datalink Physical Mỗi tầng chịu trách nhiệm thực thi một tập các chức năng cụ thể và cung cấp một tập các dịch vụ cụ thể. Các giao thức xác định cho cả các dịch vụ và các Chương 2: Kiẽn trúc mạng và mô hình kêi nôi các hệ thõng mở OSI 59 phương thức cung cấp các dịch vụ này. Tầng thấp hơn cung cấp dịch vụ cho tâng cao hem. Mô hình OSI tuân theo các nguyên tắc phân tầng như sau: - Mô hình gồm N = 7 tầng. - Các chức năng giống nhau cùng đặt trong một tầng. - Chức năng các tầng độc lập lẫn nhau. Có khả năng cập nhật, bổ sung hay sừa đổi các chức năng trong tầng. Trong mỗi tầng có nhiều thực thể hoạt động. Dịch vụ tầng dưới phục vụ cho tầng trên kề nó. Giữa các tầng xác định các giao diện và điểm truy nhập dịch vụ. Trong mỗi tầng có một hay nhiều thực thể hoạt động. Mỗi thực thể có thể là một thù tục, một tiến trình trong một hệ đa xử lý, được cài đặt các chức năng cùa tầng N và các giao thức truyền thông với các thực thể N đồng tầng trong các hệ thống khác. Mỗi một tầng N cần phải xác định mối quan hệ theo chiều dọc, tóc là xác định N dịch vụ và các điểm truy nhập trên giao diện. Xác định mối quan hệ theo chiều ngang, giữa đồng tầng với nhau, tức là các giao thức tầng. 2.3.2 Các giao thức trong mó hình OSI Khi mô tả hoạt động giao thức trong mô hình OSI, cần định nghĩa vai trò và chức năng cùa các tầng trong mối quan hệ giữa chúng với nhau, cần phải phân biệt các khái niệm cung cấp dịch vụ, các dịch vụ được cung cấp và các hoạt động của thực thể đồng tầng. Như vậy khi xem xét chức năng của giao thức, không chỉ xem xét vai trò và chức năng cùa nó mà cần phài xem xét nó được sử dụng những dịch vụ gì mà tầng kề dưới cung cấp cho nó và nó cung cấp những dịch vụ nào cho các hoạt động cùa tầng kề trên. Khái niệm dịch vụ bao gồm đặc điểm về các dịch vụ cùa tầng dưới cung cấp cho các tầng trên thông qua các hàm dịch vụ nguyên thuỷ, mỗi một hàm ứng với một tập các tham số dịch vụ các tầng kề trên có thề giao tiếp với đồng tầng trong một hệ thống khác. Trong mô hình OSI có hai loại giao thức được sử dụng: giao thức hướng liên kết và giao thức không liên kết. Giao thức hướng liên kết'. Trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần phải thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết này. Liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu. Như vậy với giao thức hướng liên kết, quá trinh truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt: - Thiết lập liên kết (logic): hai thực thề 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: đữ 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 đô tin cậy và hiệu quà của việc truyên dữ liệu. 60 Giáo trình Mạng và Truỵen dữ liệu - Hủy bỏ liên kết (logic): giài phóng tài nguyên hệ thống đã được câp phát cho liên kết đề dùng cho liên kết khác. Giao thức không liên kết'. Trước khi truyền dữ liệu không cần thiết phài thiết lập liên kết logic và các gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó. Như vậy, đối với giao thức không liên kết thì chi có duy nhất một giai đoạn truyên dữ liệu mà thôi. Gói tin giao thức: Gói tin (Packet) là một đcm vị thông tin được sừ dụng trong quá trình trao đổi thông tin. Những thông điệp (Message) trao đổi giữa các thục thể trong mạng, được chuyển đổi thành các gói tin ở node nguồn. Những gói tin này khi đến đích sẽ được khôi phục lại thành thông điệp ban đầu. Một gói tin có thê bao gôm các thông tin về các yêu cầu dịch vụ, thông tin điều khiển và thông tin dữ liệu. Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng, mỗi tầng chi thực hiện một chức năng là nhận dữ liệu từ tầng kề trên để chuyền giao xuống cho tầng kề dưới và ngược lại. Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bò phần đầu (Header) đối với mỗi một gói tin trước khi chuyển nó đi. Nói cách khác, mỗi một gói tin bao gồm phần đầu (Header) và phần dữ liệu. Khi đi đến một tầng mới gói tin sẽ được đóng thêm một phần đầu đề khác và được xem như là gói tin cùa tầng mới, tiếp tục cho tới khi gói tin được truyên lên đường truyền vật lý sang bên nhận. Bên nhận, các gói tin được gỡ bò phần đầu tương ứng tầng. 2.3.3 Truyền dữ liệu trong mô hình OSI Quá trinh truyền/nhận dữ liệu trong môi trường OSI diễn ra như sau: Tầng úng dụng tiếp nhận dữ liệu bởi các giao thức ứng dụng node nguồn. Tầng 7 sẽ chèn thêm Header HA (có thể có hoặc không) vào đầu thông điệp rồi gửi kết quá xuống tầng 6. Tầng 6 có thể chuyển đổi dữ liệu theo các cách khác nhau sao cho phù hợp với ngôn ngữ xừ lý cùa mạng và có thề chèn thêm Header HP cùa nó vào đầu bản tin, rồi gửi kết quả xuống tầng dưới - tầng Session. Tầng này không phân biệt Header cùa các tầng trên với dữ liệu trong thông điệp mà nó nhận được. Quá trình này tiếp tục thực hiện cho đến khi dữ liệu được truyền xuống tầng vật lý và được biến đổi thành chuỗi bit không cấu trúc truyền đến node đích. Tại node đích, các Header tương ứng được lần lượt loại bó khi thông điệp được chuyển từ tầng thấp nhất (tầng vật lý) lên tầng cao nhất và chuyển đồi về ngôn ngữ người sử dụng. Tại các tầng, nếu phát hiện lỗi, nó yêu cầu phát lại. 2.3.4 Các tham số dịch vụ và tương tác giữa các tầng Liên kết với hàm dịch vụ nguyên thuỷ là tập các tham số dịch vụ. Thông qua các tham số các tầng kề nhau trong một hệ thống có thể trao đồi thông tin với nhau và hai đồng tầng trong hai hệ thống có thể trao đồi các đơn vị dữ liệu PDU. Chương 2: Kiêh trúc mạng và mô hình kêt nót các hệ thõng mờ OSI 61 Ví dụ: T_CONNECT.Request (calling address, called address,..., user data). Các tham sô called address và calling address là những tham số của các địa chi cần thiêt lập kết nối logic. Thông thường, trường userdata thực chất là con trò địa chì trỏ tới bộ nhớ đệm chứa các đơn vị giao thức dữ liệu PDƯ được tạo ra bởi đối tượng giao thức tầng trên yêu cầu cung cấp dịch vụ. Các gói tin PDU này được chuyển tới cho các đối tượng giao thức tương ứng trong tầng của hệ thống từ xa. Thuật ngữ “User data” bao gồm dữ liệu và thông tin điều khiển giao thức được tạo ra để trao đổi giữa các đồng tầng trong các hệ thống. Khời tạo node nguồn Khời tạo node dich DATA.Indication Hình 2.11. Trạng thái hoạt động các hàm dịch vụ Các tham số dữ liệu kết hợp với một hàm dịch vụ được hiều như là một đơn vị dữ liệu dịch vụ SDU (Service Data Unit). SDU chứa PDU vì có liên quan đến tầng kề trên, (N +l) PDU tương đương như (N) SDU, nghĩa là đơn vị dữ liệu giao thức tầng (N +l) chính là đơn vị dữ liệu dịch vụ tầng N. Khi nhận được một hàm dịch vụ đối tuợng giao thức tầng, đọc các tham số hàm dịch vụ và kết hợp với các thông tin điều khiển giao thức PCI để tạo ra một PDU cho tầng và PDU được chuyển xuống tầng kề dưới. 2.3.5 Trạng thái hoạt động các hàm dịch vụ trong mô hình OSI Mỗi tầng có một lớp các hàm cung cấp dịch vụ như thiết lập liên kết, truyền dữ liệu và giải phóng liên kết. Khi nhận được hàm dịch vụ ở giao diện tầng, thực thể giao thức tầng cần phải biết hàm có đúng theo thứ tự hay không. Ví dụ như hàm request không thể xuất hiện trước khi liên kết được thiết lập. Thứ tự chuẩn được minh họa trong hình 2.11 chuyển đổi trạng thái các hàm dịch vụ. Trong hình, các dịch vụ hỗ trợ cho phép người sử dụng thiết lập liên kết, truyền đữ liệu và giải phóng liên kết tức là xem xét các hàm hỗ trợ cho việc thiết lập liên kết và truyền dữ liệu. Khi nhận được một hàm không theo trình tự, nghĩa là giao thức bị xâm phạm và liên kết bị huỷ bỏ. 62 Giáo trình Mạng và Truỳêtĩ dữ liệu 2.4 VAI TRÒ VÀ CHỨC NĂNG CHỦ YẾU CÁC TẨNG 2.4.1 Tầng ứng dụng Tầng ứng dụng (Application Layer) là tầng cao nhất cùa mô hình OSI, nó xác định giao điện giữa người sử dụng và môi trường các hệ thông mờ OSI. Bao gôm nhiêu giao thức ứng dụng khác nhau cung cấp các phương tiện cho người sừ dụng truy nhập vào môi trường mạng và cung cấp các dịch vụ phân tán. Khi các thực thê ứng dụng AE (Application Entity) được thiết lập, nó sẽ gọi đến các phần từ dịch vụ ứng dụng ASE (Application Service Element). Mỗi thực thể ứng dụng có thể gồm một hoặc nhiều các phần tử dịch vụ ứng dụng. Các phần tử dịch vụ ứng dụng được phối hợp trong môi trường cùa thực thề ứng dụng thông qua các liên kết gọi là đối tuợng liên kêt đơn SAO (Single Association Object). SAO điều khiển việc truyền thòng và cho phép tuần tự hóa các giao tác truyền thông. Một phần mềm có thể sử dụng trên nhiều Terminal có các đặc tính phần cứng khác nhau, bằng cách định nghĩa một Terminal mạng ào, một ánh xạ các chức năng cùa Network Virtual Terminal lên các chức năng của Terminal thực. Tầng 7 thực hiện chúc năng giải quyết sự không tương thích giữa 2 thực thể truyền thông cho nhau về cách đật tên tệp, cách thể hiện một dòng của một văn bản... Tầng này cũng có chức năng cho phép truy nhập và quản lý chuyển giao tệp FTAM (File Transfer Access And Management), thu điện từ (E-mail)... 2.4.2 Tầng trình diễn Tầng trình diễn (Presentation Layer) giãi quyết các vấn đề liên quan đến cú pháp và ngữ nghĩa cùa thông tin được truyền. Biểu diễn thông tin người sử dụng phù hợp với thông tin làm việc cùa mạng và ngược lại. Thông thường biều diễn thông tin các ứng dụng nguồn và ứng dụng đích có thể khác nhau bời các ứng dụng được chạy trên các hệ thông có thể khác nhau. Tầng trình diễn phải chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gùi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác, nó cung cấp một dạng biểu diễn truyền thông chung cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại. Ví dụ điền hình chức năng cùa tầng này là mã hoá (Encoding) dữ liệu theo những chuân được hai thực thể truyền thông thoà thuận trước. Để cho các thực thể khác nhau sừ dụng các biểu diễn dữ liệu khác nhau có thề truyền thông được với nhau, dữ liệu trao đôi có thê được định nghĩa một cách trừu tượng kèm theo các tiêu chuần mã hoá sử dụng. Quản lý cấu trúc dữ liệu trừu tượng và biến đồi (Convert) dữ liệu. Tằng này cũng thực hiện các dịch vụ như nén dữ liệu để giám số lượng bit phải truyền, cũng như việc thực hiện quyền truy nhập họp pháp (Authentication). Chương 2: Kiêh trúc mạng và mô hình kêi nôi các hệ thõng mờ OSI 63 2.4.3 Tầng phiên Tầng phiên (Session Layer) cho phép người sử dụng trên các máy khác nhau thiết lập, duy trì, huỳ bỏ và đồng bộ phiên truyền thông giữa họ với nhau. Nói cách khác tầng phiên thiết lập "các giao dịch" giữa các thực thề đầu cuối trên mạng. Tên của mỗi giao dịch là nhất quán cho mọi thành phần đối thoại với nhau và thiết lập ánh xạ giữa các tên với địa chi cùa chúng. Một giao dịch phái được thiết lập trước khi dữ liệu được truyền trên mạng, tầng phiên đàm bảo cho các giao dịch được thiết lập và duy trì theo đúng quy định. Tầng phiên cho phép sự vận chuyển dữ liệu thông thường như tầng giao vận, nhưng nó cũng còn cung cấp những dịch vụ nâng cao trong một số ứng dụng. Tầng này có thể cho phép người sử dụng đăng nhập (Log Into) vào những hệ thống chia sẻ thời gian từ xa hoặc truyền file giữa các máy tính. Một trong những dịch vụ phiên là quản lý điều khiển đối thoại. Neu các phiên cho phép truyền thông hai chiều đồng thời (Full Duplex), nghĩa là hai bên đồng thời gửi dữ liệu đi thì không đòi hỏi phải có nhiệm vụ quản trị tương tác đặc biệt nào. Neu truyền hai chiều luân phiên (Half Duplex), các thực thể phiên duy trì tương tác luân phiên sử dụng quyền được truyền dữ liệu khi đến lượt. Phương thức này phù hợp với các ứng dụng hỏi/đáp. Trường hợp hội thoại một chiều (Simplex), chuẩn OSI không xét đến trường họp này. Dịch vụ phiên nhằm mục đích cung cấp một liên kết giữa 2 đầu cuối sử dụng dịch vụ phiên sao cho trao đổi dữ liệu một cách đồng bộ và khi kết thúc thì giải phóng liên kết. Sừ dụng thè bài (Token) đề thực hiện truyền dữ liệu, đồng bộ hóa và hủy bỏ liên kết trong các phương thức truyền đồng thời hay luân phiên. Thiết lập các điểm đồng bộ hóa trong hội thoại. Khi xày ra sự cố có thề khôi phục hội thoại bắt đầu từ một điềm đồng bộ hóa đã thòa thuận. 2.4.4 Tầng giao vận Tầng giao vận (Transport Layer) cung cấp các chức năng cần thiết giữa tầng mạng và các tầng trên. Là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đồi dữ liệu giữa các hệ thống mở. Kiểm soát việc truyền dữ liệu End-to-End. Thù tục trong 3 tầng dưới (vật lý, liên kết dữ liệu và mạng) chi phục vụ việc truyền dữ liệu giữa các tầng kề nhau trong từng hệ thống. Các thù tục trong các tầng từ 4 đến 7 có chức năng kiểm soát End-to-End. Các thực thể đồng tầng hội thoại, thương lượng với nhau trong quá trình truyền tin. Tầng giao vận gán các thực thể đầu cuối bằng một địa chì duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các thực thể. Tầng giao vận thực hiện việc chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn truớc khi gửi đi và thông thường tầng giao vận đánh số các gói tin và đàm bảo chủng chuyển theo đúng thứ tự. Là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức 64 Giáo trình Mạng và Truỳên dữ liệu độ an toàn trong truyền dữ liệu nên giao thức tầng giao vận phụ thuộc nhiêu vào bàn chất cùa tầng mạng. Tầng giao vận thực hiện việc ghép kênh và phân kênh. Thông thường các thực thề cùa tầng tạo ra một liên kết cho mỗi yêu cầu liên kết cùa tầng trên nó, tuy nhiên trong trường hợp tầng trên đòi hòi việc vận chuyển thông lượng cao thì tầng này có thê tạo ra nhiều liên kết mạng và truyền thông dữ liệu đi đồng thời trên nhiều đường. Tâng giao vận có thể thực hiện việc ghép kênh (multiplex) một vài liên kết vào cùng một liên kết nối để giảm giá thành. Giao thức tầng giao vận bao gồm: - Giao thức lớp 0 (Simple Class)-. Cung cấp khả năng đơn giàn để thiết lập liên kết, truyền dữ liệu và hủy bỏ liên kết trên mạng "hướng liên kết" loại A có tỳ suất lỗi và sự cố có báo hiệu chấp nhận, các gói tin được già thiết là không bị mất. Giao thúc lớp 0 có khả năng phát hiện và báo hiệu các lỗi nhung không có khả năng phục hồi. - Giao thức lớp 1 (Basic Error Recovery Class): Sử dụng các loại mạng B, có tỷ suất lỗi chấp nhận được nhưng tỷ suất sự cố có báo hiệu lại không chấp nhận được. Tầng giao vận phải có khả năng phục hồi lại khi xảy ra sự cố. Các gói tin (TPDU) được đánh số. Ngoài ra giao thức còn có khả năng báo nhận cho nơi gửi và truyền dữ liệu khẩn. So với giao thức lớp 0, giao thức lớp 1 có thêm khà năng phục hồi lỗi. - Giao thức lớp 2 (Multiplexing Class): là một cài tiến của lớp 0 cho phép dồn một số liên kết vận chuyền vào một liên kết mạng duy nhất, đồng thời có thể kiềm soát luồng dữ liệu đề tránh tắc nghẽn. Giao thức lớp 2 không có khả năng phát hiện và phục hồi lỗi. Vì vậy các giao thức này chi phù hợp với mạng loại A. - Giao thức lớp 3 (Error Recovery and Multiplexing Class): là sự mờ rộng giao thức lớp 2 với khà năng phát hiện và phục hồi lỗi, phù hợp với mạng loại B. - Giao thức lớp 4 (Error Detection and Recovery Class): là lớp có hầu hết các chức năng cùa các lớp trước và còn bồ sung thêm một số khả năng khác đề kiểm soát việc truyền dữ liệu. 2.4.5 Tầng mạng Tầng mạng (Network Layer) thực hiện các chức năng chọn đường (Routing). Chọn đường đi cho các gói tin từ nguồn tới đích. Địa chỉ nguồn và địa chi đích có thể trong cùng một mạng hoặc khác mạng nhau. Đường có thề được cố định, ít thay đồi, cũng có thể được định nghĩa khi bắt đầu hội thoại và có thề đường đi là động (Dynamic), nghĩa là có thề thay đổi với từng gói tin tuỳ theo trạng thái tải tức thời cùa mạng. Trong mạng kiều quàng bá (Broadcast Network), routing rất đơn giàn. Tàng mạng cung câp các phương tiện đề truyền các gói tin qua mạng, hay qua mạng cùa mạng (Network of Network). Vì vậy cần phái đáp ứng với nhiều kiểu mạng Chương 2: Kiêh trúc mạng và mô hình két nõi các hệ thông mớ OSI 65 và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khác nhau. Hai chức năng chủ yếu cùa tầng mạng là chọn đường (Routing) và chuyển tiếp (Relaying). Khi kết nối các loại mạng khác nhau, phải cần có một bộ tìm đường (quy định bời tầng mạng) để chuyền các gói tin từ mạng này sang mạng khác và ngược lại. Đối với một mạng chuyển mạch gói, các gói dữ liệu được truyền từ một hệ thống mờ tới một hệ thống mở khác trên mạng phải được chuyển qua một chuỗi các node. Mỗi node nhận gói dữ liệu từ một đường vào (Incoming Link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (Outgoing Link) hướng đến đích của dữ liệu. Như vậy ở mỗi node trung gian phải thực hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp. Kỹ thuật chọn đường phải thực hiện hai chức năng chính sau đây: - Quyết định chọn đường tối ưu dựa trên các thông tin đã có về mạng tại thời điểm đó thông qua những tiêu chuẩn tối ưu nhất định. - Cập nhật các thông tin về mạng, thông tin dùng cho việc chọn đường, trên mạng luôn có sự thay đồi thường xuyên nên việc cập nhật là việc cần thiết. Thông tin được sử dụng cho việc chọn đường bao gồm: trạng thái của đường truyền, thời gian trễ khi truyền trên mỗi đường dẫn, mức độ lưu thông trên mỗi đường và các tài nguyên khả dụng cùa mạng. Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ được cập nhật vào các cơ sở dữ liệu trạng thái cùa mạng, thay đổi về cấu trúc mạng do có sự cố tại một vài node, phục hồi của một node mạng, thêm node mới... hoặc thay đổi về mức độ lưu thông...) các thông tin trên cần. Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện, tích hợp các loại dữ liệu văn bản, đồ hoạ, hình ánh, âm thanh ngày càng phát triển, thì đòi hỏi các còng nghệ truyền dẫn tốc độ càng cao nên việc phát triền các hệ thống chọn đường tốc độ cao đang rất được quan tâm. Một chức năng quan trọng khác cùa tầng mạng là chức năng điều khiển tắc nghẽn (Congestion Control). Neu có quá nhiều gói tin cùng lưu chuyển trên cùng một đường thì có thể xảy ra tình trạng tắc nghẽn, tầng mạng phải giải quyết vấn đề này. Thực hiện chức năng giao tiếp giữa các mạng khi các gói tin đi từ mạng này sang mạng khác đề tới đích, có nhiều vấn đề có thể xày ra: - Các mạng có thề sừ dụng cách đánh địa chi khác nhau. - Các mạng có thề chấp nhận kích thước các packet khác nhau. - Các mạng có thể sử dụng các giao thức khác nhau... 2.4.6 Tầng liên kết dữ liệu Tầng liên kết dữ liệu (Data link Layer) là tầng 2 trong mô hình OSI, nằm trên tầng vật ]ý và dưới tầng mạng. Tầng liên kết dữ liệu sử dụng các dịch vụ của tầng vật lý 66 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu và cung cấp các dịch vụ cho tầng mạng thục hiện đồng bộ hoá. kiềm soát luông dữ liệu và kiềm soát lỗi nhằm bào đảm quá trinh truyền thông có độ tin cậy cao. Chức năng chủ yếu của tầng liên kết dữ liệu là thực hiện việc chuyên đôi thông tin mức mạng thành từng đoạn thông tin gọi lá khung (Frame). Đảm bảo truyên liên tiếp các Frame tới tầng vật lý, đồng thời xử lý các thông báo tù máy thu gừi trá lại. Nói tóm lại, nhiệm vụ chính cùa tầng này là khởi tạo và tổ chúc các Frame cũng như xù lý các thông tin liên quan tới nó. Tầng liên kết dữ liệu quy định khuôn dạng, kích thước cùa khung thông tin. Xác định cơ chế truy nhập phương tiện truyền cho các gói tin sao cho đến đích có độ tin cậy cao. Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết: phương thức điểm - điểm và điểm - đa điềm. Tầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp phuơng pháp phát hiện và sửa lỗi cơ bàn để đám bào cho dữ liệu đúng và chính xác như dữ liệu gửi đi. Neu một gói tin có lỗi không sừa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi đề nó gửi lại. Theo quy ước, tầng liên kết dữ liệu được chia thành 2 tầng con: tầng điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control Sublayer) được định nghĩa trong chuẩn 802.2 bao gồm một số chức năng như phân khung dữ liệu, điều khiển luồng dử liệu và quàn lý lỗi. Tầng con điều khiển truy nhập phương tiện truyền MAC (Media Access Control Sublayer) cung cấp các giao thức quàn lý truy nhập đường truyền khi các node sù dụng chung một môi trường truyền dẫn để trao đồi thông tin. 1) M ột số dịch vụ cung cấp cho tầng mạng, bao gồm: - Điều khiển truy nhập đường truyền. - Cung cấp các liên kết giữa các thực thể của tầng mạng - Sắp xếp các gói dữ liệu (nếu cần): duy trì thứ tự đúng của các gói dữ liệu trong quá trình truyền qua liên kết. - Tạo khung dữ liệu và đảm bảo truyền khung qua các liên kết theo thứ tự. - Tính giá trị FCS của Frame trước khi truyền và kiểm tra sau khi nhận. - Điều khiển iưu lượng để điều chình số luợng Frame được truyền. - Lựa chọn các tham số chất lượng dịch vụ. 2) Giao thức của tầng Hên kết dữ liệu: Có rât nhiêu giao thức được xây dựng cho tầng liên kết dữ liệu (gọi chung là Data Link Protrcols - DLPs). Các DLP được chia thành 2 loại: dị bộ (Asynchronous DLP) và đồng bộ (Synchronous DLP), trong đó loại đồng bộ lại được chia thành hai nhóm là: các giao thức hướng ký tự (character oriented) và các giao thức hướng bit (bit oriented). Các giao thức hướng ký tự được xây dựng dựa trên các ký tự đặc biệt cùa Chương 2: Kiên trúc mạng và mô hình kêi nôĩ các hệ thông mờ OSI 67 một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hay EBCDIC), trong khi đó các giao thức hướng bít lại dùng các cấu trúc nhị phân (xâu bít) đề xây dựng các phần từ cùa iao thức (đơn vị dữ liệu, các thù tục) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bít một. Hình 2.12. Các loại giao thức trong tầng Liên kết dữ liệu Các DLP dị bộ sử dụng phương thức truyền dị bộ, trong đó các bit đặc biệt START và STOP được dùng để tách các xâu bít biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truvền đi. Phương thức này được gọi là “dị bộ” là vi không có sự đồng bộ liên tục giữa người gửi và người nhận tin. Nó cho phép một ký tự dữ liệu được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó. Các giao thức loại này thường được dùng trong các máy điện báo hoặc các máy tính trạm cuối tốc độ thấp. Phần lớn các máy PC sử dụng phương thức truyền dị bộ do tính đơn giãn của nó. DLP đồng bộ: Phương thức truyền đồng bộ không dùng các bit đặc biệt START, STOP để “đóng khung” mỗi kỷ tự mà chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization), EOT (End O f Transmission) hay đơn giản hơn, một cái cờ (flag) giữa các dữ liệu cùa người sử dụng để báo hiệu cho người nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến. Có hai mức đồng bộ hoá: - Ờ mức vật lý: giữ đồng bộ giữa các đồng hồ cùa người gửi và người nhận. - Ở mức liên kết dữ liệu: để phân biệt dữ liệu của người sử dụng với các “cờ” và các vùng thông tin điều khiển khác. Giao thức hướng ký tự: Giao thức loại này có thể đáp ứng cho các phương thức khai thác đường truyền khác nhau: Một chiều (simplex), hai chiều luân phiên (half duplex) hoặc hai chiều đồng thời (Full-duplex). Đối với phương thức hai chiều luân phiên, giao thức hướng ký tự nổi tiếng nhất chính là BSC (Binary Synchronous Control) hay còn gọi là Bisync - một sàn phẩm của IBM. Giao thức này đã được ISO lấy làm cơ sở để xây dựng giao thức hướng ký tự chuẩn quốc tế với tên gọi Basic Mode. Giao thức HDLC (High - level Data Link Control) là giao thức huớng bit chuẩn cho tầng liên kết dữ liệu, được phát triển bởi ISO (ISO 3309 và ISO 4335) đề sừ dụng 68 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu trong cả hai trường hợp điểm — điểm và đa điêm. Nó cho phép khai thác 2 chiêu đông thời (Full-duplex). Các phần từ của nó được xây dựng từ các cấu trúc nhị phân và khi nhận dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một. 3) Chuẩn IE EE cho tầng liên kết dữ liệu Tháng 02 năm 1980, IEEE quy định các thiết lập chuẩn LAN, chù yếu cho tầng vật lý và tầng liên kết dữ liệu, sử dụng mô hình tham chiêu OSI làm côt lõi. Các chuẩn LAN trong IEEE có từ 802.1 đến 802.14. Các chuẩn đáng chú ý là: - IEEE 802.1: Định nghĩa và tồng quan về kiến trúc các LAN. - IEEE 802.2: Định nghĩa điều khiến liên kết logic, mô tả các dịch vụ đề truyền dữ liệu giữa hai nút (ISO/IEC 8802-2). - IEEE 802.3: Xác định phương pháp truy nhập mạng tức thời có khá năng phát hiện lỗi chồng chéo thòng tin. - IEEE 802.4: Định nghĩa phương pháp truy nhập mạng Token Bus. - IEEE 802.5: Định nghĩa LAN dùng Token ring. Chuẩn IEEE LAN được phát triển dựa vào uỷ ban IEEE 802. Chuẩn IEEE 802.3 liên quan tới mạng CSMA/CD (Đa xâm nhập cảm nhận sóng mang) bao gồm cá 2 version băng tần cơ bàn và băng tần mở rộng. Chuẩn IEEE 802.4 liên quan tới sự sap xếp tuyến token và IEEE 802.5 gồm các vòng truyền token. Theo chuẩn 802 thi liên kết dữ liệu được chia thành 2 tầng con: tầng điều khiển liên kết logic LLC (Logical Link Control Sublayer) và tầng điều khiển xâm nhập mạng MAC (Media Access Control Sublayer). Trên thực tế, Driver cho Adapter mạng thường được gọi là MAC Driver. Phàn tầng LLC giữ vai trò tổ chức dữ liệu, tổ chức thông tin để truyền và nhận. Tầng MAC chỉ làm nhiệm vụ điều khiển việc xâm nhập mạng. Giao thức phân tầng LLC không bị ảnh hưởng khi sử dụng các đường truyền dẫn khác nhau, nhờ vậy mà linh hoạt hơn trong khai thác. Chuẩn 802.2 ờ phân tầng LLC tương đương với chuẩn HDLC của ISO hoặc X.25 cùa CCITT. Chuân 802.3 xác định phương pháp thâm nhập mạng tức thời có khá năng phát hiện lỗi chồng chéo thông tin CSMA/CD. Phương pháp CSMA/CD được đưa ra từ nám 1993 nhăm mục đích nâng cao hiệu quà mạng. Theo chuẩn này các mức được ghép nối với nhau thông qua các bộ ghép nối. Chuân 802.4 thực chât là phương pháp thâm nhập mạng theo kiểu phát tín hiệu thăm dò token qua các trạm và đường truyền Bus. Chuân 802.5 dùng cho mạng dạng vòng và trên cơ sờ dùng tín hiệu thăm dò token. Môi trạm khi nhận được tín hiệu thăm dò token thi tiếp nhặn token và bất đầu quá trình truyền thông tin dưới dạng các Frame. Các Frame có cấu trúc tương tự nhu Chương 2: Kiẽn trúc mạng và mó hình kêi nôi các hệ thông mớ 0S1 69 cùa chuẩn 802.4. Phương pháp xâm nhập mạng này quy định nhiều mức ưu tiên khác nhau cho toàn mạng và cho mỗi trạm, việc quy định này vừa cho người thiết kế vừa do người sử dụng tự quy định. 2.4.7 Tầng vật lý Tầng vật lý (Physical Layer) là tầng thấp nhất trong mô hình 7 tầng OSI. Khác với các thực thể đồng tầng của các tầng trên, các thực thể tầng giao tiếp với nhau qúa một kênh logic còn các thực thề tầng vật lý giao tiếp với nhau qua một đường truyền vật lý. Tầng vật lý xác định các chức năng, thủ tục về điện, cơ, quang để kích hoạt, duy trì và giải phóng các kết nối vật lý giữa các hệ thống mạng. Cung cấp các cơ chế về điện, cơ, hàm, thù tục... nhằm thực hiện việc kết nối các phần tử của mạng thành một hệ thống bằng các phương pháp vật lý. Đàm bào cho các yêu cầu về chuyển mạch hoạt động nhằm tạo ra các đường truyền thực cho các chuỗi bit thông tin. Các thủ tục trong tầng vật lý là các thủ tục xác định giao diện giữa người sử dụng với môi trường mạng. Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành hai loại giao thức sừ dụng phương thức truyền thông dị bộ (Asynchronous) và phương thức truyền thông đồng bộ (Synchronous). Phương thức truyền dị bộ', không có một tín hiệu quy định cho sự đồng bộ giữa các bit giữa máy gửi và máy nhận, trong quá trình gừi tín hiệu máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng đề tách các xâu bit biểu diễn các ký tự trong dòng dữ liệu cần truyền đi. Nó cho phép một ký tự được truyền đi bất kỳ lúc nào mà không cần quan tâm đến các tín hiệu đồng bộ trước đó. Phương thức truyền đằng bộ: nghĩa là cần có đồng bộ giữa máy gừi và máy nhận, bằng cách chèn các ký tự đặc biệt nhu SYN (Synchronization), EOT (End O f Transmission) hay "cờ" (flag) giữa các dữ liệu cùa máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến. 2.4.8 Tóm tắt chức năng các tầng Tầng Chức năng chủ yếu Giao thức 7- Application Cung cắp các dịch vụ ứng dụng trẽn mạng cho người sử dụng qua môi trưòTig OSI. 6-Presentation Chuyển đỗi củ pháp dữ liệu để đẳp ứng yêu cầu truyền thông cùa các ứng dụng. 5-Sesion Quàn lý các cuộc liên lạc giữa các thực thể bằng cách thiết lập, duy trì, đồng bộ hoá và huỳ bỏ các phiên truyền thông giữa các ứng dụng 4-Transport Vặn chuyển thông tin giữa các mấy chủ (End to End). Kiểm soát lỗi và luòng dữ liệu. Giao thức ứng dụng Giao thức biến đổi mã Giao thức phiên Giao thức vện chuyển 70 Giáo trình Mạng và Truỵen dữ liệu Tâng Chức năng chù yếu Giao thừc 3-Network Thực hiện việc chọn đường và đảm bảo trao đổi thông tin giữa các mạng con trong mạng lớn với công nghệ chuyển mạch thích hợp. 2-Data Link Chuyển đổi khung thông tin (Frames) thành các chuỗi bit đẻ truyền và kiến tạo lại các khung từ các bit nhận được 1-Physical Đảm bảo các yêu cầu truyền/nhận các chuỗi bit qua các phương tiện vật lý. 2.4.9 Một số nhận xét về kiến trúc mô hình OSI Giao thức mạng Thủ tục kiểm soát truyền Giao diện DTE - DCE Mô hình OSI tổ chức các giao thức truvền thông thành 7 tầng, được bất đầu nghiên cứu trong những năm thập kỷ 70 của thế kỷ XX và được hoàn thành sau khi các giao thức TCP/IP đã được sử dụng rộng rãi, trở thành chuẩn cho công nghệ mạng máy tính. Vì vậy trên thực tế, mô hình OSI không được sử dụng, nó trở thành mô hình tham khảo tổng quát và căn bản cho việc nghiên cứu kiến trúc mạng tiên tiên hơn. Các giao thức cùa OSI chưa được hoàn thiện, phức tạp. Vai trò và chức năng của tầng phiên không được sử dụng nhiều trong các úng dụng, tầng trình bày gần như không có gi, trong khi đó tầng liên kết dữ liệu và tầng mạng lại quá phức tạp đến mức phài chia thành các tầng con với các chức năng khác nhau. Mô hình OSI chi quan tâm đến truyền thông (Communication), mà không quan tâm nhiều đến mối quan hệ giữa “Computing” và “Communication”. 2.5 KỸ THUẬT KIỂM SOÁT LUÓNG Kiêm soát ỉuông (Flow Control) là một chức năng của tầng con điều khiển liên kêt logic LLC (Logical Link Control Sublayer) cùa tầng Datalink trong mô hình OSI, là một tiên trình điêu khiên tôc độ trao đôi dữ liệu giừa 2 node. Kiểm soát luồng là kỹ thuật xác nhận của mảy đích nhăm bảo đảm lưu lượng của việc truyền dừ liệu Kiểm soát luông là cân thiêt, vì cỏ thê xảy ra node nguồn truyền các khung với tốc độ nhanh hơn node đích có thê nhận và xử lý chúng. Điều này xảy ra khi node nguồn cỏ tài thấp va node đích tải cao hoặc nêu node nguôn có năng lực xử lý cao hơn node đích. Vì vậy, kiêm soát luông cung câp một kỳ thuật đè chắc chắn ràng bên phát không làm neập ỉụt bên thu trong quá trình truyên dữ liệu. Có hai phương pháp kiểm soát luồng thường được sử dụng là giới hạn tái chung và phân tán chức năng kiểm soát hoặc có thề kết hợp cà hai. 2.5.1 Giao thức kiểm soát luồng "Ngừng và đọi” Giao thức “Ngừng và đợi” (Stop and Wait Flow Control Protocol) nghĩa là bên phát sẽ truyên đi một khung và sau đó chờ cho đến khi bên thu xác nhận đã nhận được Chương 2: Kiến trúc mạng và mô hình két nôĩ các hệ thông mờ OS1 71 khung này. Bên thu xác nhận bằng cách phát đi một khung thông báo cho bên phát biêt rằng bên thu đã sẵn sàng nhận khung dữ liệu tiếp theo. Phía phát phải đợi cho đến khi nhận được xác nhận từ phía thu cho khung đã truyền trước khi cho phép truyên đi khung khác. Nếu bên thu chưa có xác nhận, luồng dữ liệu giữa bên phát và bên thu sẽ ngừng lại. Mặc dù “Ngừng và đợi” rất có hiệu quả nhưng không phù hợp trong các môi trường mạng hiện đại yêu cầu truyền dữ liệu là hai chiều, vi “Ngừng và đợi” là sự truyền dẫn một chiều, khung dữ liệu chi truyền theo một hướng. Mặt khác, không hiệu quà cho các khung có kích thước nhò dễ cho việc phát hiện lỗi và giảm thiểu lượng dữ liệu yêu cầu truyền lại khi có lỗi. 2.5.2 Giao thức kiểm soát luồng “Cửa sổ trượt” Giao thức “Cửa sổ trượt” (Sliding Window Flow- Control Protocol) yêu cầu bên thu cho bên phát biểt dung lượng bộ nhớ đệm sử dụng. Điều này cho phép bên phát truyền các khung liên tiếp mà không cần chờ xác nhận, sao cho các khung phát đi không làm tràn bộ đệm của bên thu. Khái niệm “Cửa sổ trượt"’ đuợc thực hiện bởi yêu cầu bên phát đánh số tuần tự mỗi khung dữ liệu nó gửi đi. Bên phát và bên thu thông báo liên tục về số thứ tự cùa các khung mà chúng có thể gừi và nhận. Thủ tục kiểm soát luồng dựa trên nguyên tắc này gọi là thủ tục “Cừa sổ trượt”. Khi đánh số các khung, hệ thống đánh so modulo kích thước các trường cửa sổ cùa thủ tục, lặp lại theo chu kỳ. Già sử A và B trao đổi thông tin với nhau theo chế độ 2 chiều (song công). Dung lượng bộ đệm của B !à n khung, nghĩa là bên thu B chỉ có khả năng tiếp nhận n khung mà không cần đợi xác nhận. Mỗi khung có số thứ tự, đề trà lời B phát một khung trả lời trong đó có chứa số thứ tự cùa khung nhận tiếp theo, cũng có nghĩa B đã nhận được các khung trước đó. Ví dụ số thứ tự xác nhận B trà lời là 4, nghĩa là B đã nhận các gói có số thứ tự là 1, 2 và 3. Bên phát có bàng số thứ tự cho phép phát đi, bén thu cũng có bàng số thứ tự chuẩn bị tiếp nhặn. Mỗi một bảng có thể xem như cửa sổ của khung. Kích thước trường số thứ tự khung chi ra kích thước cửa sổ. Nếu kích thước truờng này là k bit, nghĩa là số thứ tự của các khung từ 0 đến 2k - 1, số thứ tự cùa khung lấv 2k làm đơn vị cơ bản. 2.6 KỸ THUẬT KIỂM SOÁT LỖI 2.6.1 Giói thiệu kỹ ĩhuật phát hiện lỗi Kiểm soát lỗi (Eưor control) là quá trình đảm bảo độ tin cậy của dữ liệu khi truyền. Nghĩa là dữ liệu thu chính xác như dữ liệu phát đi. Có hai cách xử lý lỗi: Cách thứ nhất: Trước khi truyền, bên phát cung cấp thông tin trong dòng dữ liệu để bên thu có thể phát hiện lỗi xày ra trong quá trình truyền. Khi lỗi được phát hiện bên nhận yêu cầu bên phát truyền lại gói tin bị lỗi. 72 Giáo trình Mạng và ĩruỳén dữ liệu Cách thứ hai: Sửa lỗi tự trị, phức tạp hơn và không yêu cầu truyên lại. Bên nhận khi phát hiện khung dữ liệu bị lỗi, tự nó sửa lỗi. Sửa lỗi tự trị yêu cầu khung phát đi phài chứa thông tin dư để nođe đích có thể sửa bất cứ lỗi nào tìm được và không yêu cầu phát lại. Quá trình sừa lỗi bao gồm cả việc phát hiện lỗi. Kiểm soát lỗi bằng cách phát lại và xác nhận bên thu về các khung đã nhận được. Xác nhận dương nghĩa lá khung nhận được chính xác, xác nhận âm (hoặc không xác nhận) nghĩa là khung nhận được không chính xác, yêu cầu bên phát cần truyền lại khung bị lỗi. Để tránh mất hoặc hỏng dữ liệu do lỗi phần cứng, tầng liên kết dũ liệu hỗ trợ bộ thời gian. Nếu một khung hay thông tin xác nhận bị mất, bên phát sẽ quy định thời gian sống của nó, nếu không còn hiệu lực sẽ được truyền lại. Tránh các khung trùng nhau bên nhận, các khung gửi đi sẽ được gán các số tuần tự cho phép bên nhận có thể phân biệt khung đã được truyền lại với khung ban đầu. Việc quàn lý bộ thời gian và đánh số tuần tự là chức năng rất quan trọng cùa tầng liên kết dữ liệu vi nó chắc chấn rằng mỗi khung được nhận từ tầng mạng phái chính xác và đúng trật tự. Kiểm soát lỗi đề cập đến các vấn đề về phát hiện lỗi, xác nhận trà lời và phát lại các khung bị lỗi hoặc quá thời gian sống của nó. Phương thức này được gọi là tự động lặp lại yêu cầu ARQ (Automatic Request Repeation). ARQ là thuật ngữ chung cho các thủ tục kiểm soát lỗi có đặc điểm là phát hiện lỗi và tự động gừi lại các khung lỗi. Thông thường sử dụng ARQ dựa trên các phương pháp kiểm soát lỗi đã được nói ò trên. ARQ “Ngừng-đợi” dựa trên kỹ thuật kiểm soát luồng “Dừng và đợi” và ARQ “Quay về n” dựa trên kỹ thuật kiềm soát luồng cửa sổ trượt. Cả hai phương pháp được tạo mẫu sau khi kiểm soát luồng của chúng trùng tên và yêu cầu phát lại cã các khung hết thời gian sống. Một phương pháp khác ARQ “Lựa chọn-từ chối”, yêu cầu bén thu chi gửi xác nhận âm để chỉ ra có lỗi trong khung nhận được. Do đó chì các khung hết thời gian chờ hoặc có xác nhận âm thì mới được phát lại. Các lỗi mạng có thể do nhiều nguyên nhân khác nhau như nhiễu đường truyền, lỗi kỹ thuật phần cứng, sai sót phần mềm, các lỗi liên quan đến các thù tục, tràn bộ đệm. các lỗi về sai đồng bộ, xuysên âm... Một số lỗi không liên tục - chúng xuất hiện rồi kết thúc, những lỗi này rất khó để phát hiện. 2.6.2 Phưong pháp sửa lỗi CRC Phương pháp CRC (Cyclic Redundancy Code) xác định chuỗi bit kiểm tra (gọi là Checksum) thích họp đè ghép vào chuỗi bit cần truvền đi sao cho bên nhận có thể kiểm soát được lỗi. Thuật toán phát biểu như sau: - Chọn một đa thức sinh G(x) với hệ số cao nhất và thấp nhất bằng 1, nghĩa là chuỗi bit tương ứng với G(x) có bit cao nhất và bit thấp nhất đều bằng 1. Chương 2: Kiên trúc mạng và mô hình kết nôí các hệ thăng mờ OSI 73 - Checksum phải thoà mãn điều kiện: đa thức tương ứng với chuỗi ghép (chuỗi gốc và Checksum) phài chia hết modulo 2 cho G(x). - Bên nhận, đa thức tương ứng với chuỗi bit nhận được chia modulo 2 đa thức sinh G(x). Neu không chia hết, dữ liệu có lỗi trên đường truyền, ngược lại nếu chia hết dữ liệu nhận được không bị lỗi. Thuật toán như sau: - Giả sử cho tmớc một đa thức sinh G(x) có bậc là r. - Xâu bit cần truyền tương ứng với đa thức M(x) có bậc là m. - Thêm r bit 0 vào sau xâu m bit, xâu bit tương ứng đa thức xr M(x). - x' M(x) / G(x) = Q(x) + R(x)/G(x) modulo 2 - T(x)= xr M(x) + R(x) xâu bit tuơng ứng là xâu bit cần truyền. Rõ ràng là T(x) chia hết modulo 2 cho G(x). Khi nhận, già SŨ chuỗi bit nhận tương ứng với đa thức là T(x). Giả thiết T(x) = T(x) + E(x), trong đó E(x) là đa thức lỗi. Lưu ý rằng mỗi bit 1 trong E(x) tương ứng với một bit của chuỗi gốc đã bị đảo ngược (lỗi bit đơn). Phép chia trờ thành: T{x)lmod2 G(x) = T(x)/mod2 G(x) + E(x)/mod2 G(x) = 0 + E(x)/mod2 G(x) Như vậy nếu phép chia modulo 2 cho số dư khác 0, nghĩa là truyền tin đã bị lỗi. Ngược lại số dư bằng 0 thì chưa thể khẳng định được là truyền tin không bị lỗi, vì E(x) vẫn có thể khác 0 (chứa G(x) như một thừa số). Suy ra sẽ có các lỗi không phát hiện được khi các đa thức chứa G(x) như một thừa số. Trường hợp lỗi bit đơn: đa thức E(x) = x' (i < m + r), trong đó i xác định vị trí cùa bit lỗi. Neu G(x) chứa 2 hoặc nhiều số hạng thi E(x) không thể chia hết modulo 2 cho nó được, do vậy trong trường hợp này tất cà các lỗi bit đơn đều bị phát hiện. Neu có 2 lỗi bit đơn rời nhau, tức là đa thức E(x) = XJ + xj (i > j), có thể viết E(x) = XJ (x'-J + 1). Như vậy để cho lỗi kép này được phát hiện, chọn G(x) sao cho XJ và x''J không thể chia hết cho nó (giá trị lớn nhất của i-j bằng độ dài của chuỗi truyền đi). Nếu E(x) chứa một số lè số hạng (tóc có một số lẻ bit lỗi), có thể chứng minh được rằng: một đa thức với số lẻ số hạng thì không thể có thừa số (x + 1) được (xét trong hệ modulo 2). Từ đó chi cần chọn G(x) có thừa số (x + 1) thì có thể phát hiện được mọi lỗi chứa một số lẻ bit lỗi. Trường hợp đơn giàn nhất chọn G(x) = X + 1 tức là trường hợp dùng Parity bit. Trường hợp lỗi nhóm (được định nghĩa là một nhóm bit trong đó bit đầu và bit cuối bị lỗi), người ta đã chứng minh được rằng với đa thức sinh G(x) bậc r thi mọi lỗi nhóm có độ dài nhò hoặc bằng r đều có thể được phát hiện, còn lớn hơn thì có thể không phát hiện được. 74 Giáo trình Mạng và Truýén dữ liệu Khả năng phát hiện lỗi của phương pháp CRC phụ thuộc rất nhiều vào việc chọn đa thức sinh G(x). Chọn G(x) như thế nào để phát hiện lỗi cao nhất là một vân đê hết sức phức tạp. Sau đây một vài nguyên tắc cơ bàn để chọn đa thức sinh G(x): - Để tạo Checksum bậc r thì G phải là một đa thức bậc r, tóc là bit thứ r + 1 cùa G phài bằng 1. Nếu không, bit đầu tiên của Checksum sẽ luôn bằng 0 và như vậy sê lãng phí 1 bit. Tương tự, số hạng cuối cùng cùa G(x) phải bằng 1, nghĩa là G(x) không chia hết cho X modulo 2, bởi vì nếu không, bit cuối cùng của Checksum sẽ luôn băng 0. - Nếu G(x) chứa 2 hoặc nhiều hơn số hạng, tất cà các lỗi đơn (các lỗi với chi 1 bit) sẽ bị phát hiện. - Nếu G(x) có số hạng cuối cùng bằng 1, nghĩa là G không chia hết cho X modulo 2 và nếu e là số nguyên dương nhỏ nhất mà đa thức xe + 1 chia hết cho G(x) thì phương pháp CRC có thể phát hiện tất cà các lỗi kép (lỗi với 2 bit) mà 2 bit lỗi cùng nằm trong một khoảng e bit liên tiếp. Một đa thức sinh đặc biệt tốt cho trường họp này là x 15+xl4+l với e = 32767, có nghĩa là nó có thề phát hiện mọi lỗi kép nằm trong khoảng 32767 bit. - Nếu G(x) chứa thừa số X + 1, tất cà các lỗi lẻ bit sẽ bị phát hiện. - Phương pháp CRC r bit có khả năng phát hiện mọi lỗi khối với chiều dài khối nhò hơn hoặc bằng r. Một lỗi khối chiều dài r bít là một dãy r bit liên tiếp trong đó bit đầu và bit cuối là các bit bị lỗi, các bit còn lại trong khối có thê bị lỗi hoặc không. Hiện nay có nhiều chuẩn CRC khác nhau, bảng dưới đây liệt kê một vài chuẩn CRC phổ biến với đa thức sinh tương ứng. CRC-12 và CRC-16 được sử dụng trong một số giao thức truyền file. CRC CCITT được sử dụng trong các giao thức truyền thông như XMODEM, X.25, HDLC... CRC-32 còn được gọi là AUTODIN-II, được sử dụng trong hầu hết các mạng LAN như Ethernet, IEEE 802.3 LAN và Token Ring LAN. Tên chuẩn So bit Đa thức sinh G(x) Dạng đa thức Dạng Hex CRC-12 12 x12 + xn + x3 + x2 + x+ 1 1 80F CRC-16 16 x16 + x15 + x2+ l 1 8005 CRC-CCITT 16 x16 + x12 + x5+ l 1 1021 CRC-32 32X 32 + X 26 + X 23 + X 22 + X 16 + X 12 + x " + X 10 + X 8 + X 7 + X s + X4 + X 2 + X + 11 04C11DB7 Chương 2: Kiêh trúc mạng và mô hình kêi nóỉ các hệ thông mờ OSI 75 Ví dụ: - Giả sử chuỗi gốc 1101011011 ** M(x) = X9 + x8+ x6+ x4+ x3+ X + 1, bậc m=9. - Đa thức sinh G(x): 10011 ** x4+ X + 1, bậc r=4. - Sau chuỗi gốc chèn thêm 4 bit 0: 11010110110000 ** x4M(x) - Chia modulo 2 11010110110000 cho 10011, bỏ qua thương số - Số dư kết quả phép chia modulo 2 sẽ là: 1110. - Cấu trúc khung dữ liệu như sau: 01111110 11010110111110 01111110 - Chuỗi truyền đi sẽ là: 01111110 110101101111100 01111110 2.7 KHÁI NIỆM VỄ ĐỊNH TUYẾN VÀ CÁC THUẬT TOÁN ĐỊNH TUYẾN 2.7.1 Giói thiệu chung Định tuyến là chọn một đường đi tối ưu theo một nghĩa nào đó để truyền một gói tin từ node nguồn đến node đích. Các thiết bị định tuyến có khả năng tìm các tuyến đường qua mạng và lưu trữ thông tin định tuyến trong các bảng định tuyến. Các bảng định tuyến không chỉ lưu trữ thông tin về tuyến đường mà còn lưu trữ các giá trị ước tính để truyền dữ liệu qua một tuyến được gọi là giá thành cùa một tuyển đường. Ước tính giá thành của một tuyến đường nhỏ nhất có thể sử dụng phương pháp bước nhảy (Hop Count) mô tả số lượng các node mà dữ liệu cần đi qua là ít nhất, hoặc đếm số nhịp (Ticcount) ước tính thời gian thực của gói dữ liệu đi qua đường là nhỏ nhất. Trong các thuật toán chọn đường, không mất tính tổng quát, thuật ngữ “con đường ngắn nhất” được hiểu là con đường có giá thành nhỏ nhất. Mỗi node trong mạng nhận dữ liệu từ một đường vào (Incoming link) rồi chuyển tiếp nó tới một đường ra (Outgoing link) hướng đích. Mỗi node trung gian cần phải thực hiện các chức năng chọn đường hay còn gọi là định tuyến và chuyển tiếp các gói dữ liệu. Các giao thức định tuyến hoạt động trong tầng mạng (Network), trên tầng liên kết dữ liệu và nó cung cấp một dịch vụ “trong suốt” cho tầng giao vận. 7 Application. 6 Presentation 5 Session 4 Transport 3 Network 2 Datalink 1 Physical 3:Network : 3Ị Network : I 3: Network 2:Datalink i 2-Datalink : I 2:Datalink 1 iPhysical i 1j Physical : Ị 1 :PhysicaJ Hình 2.13. Ví dụ về khái niệm định tuyến 3;Network 2jDatalink 1 -Physical 76 Giáo trình Mạng và Truỳên dữ liệu 2.7.2 Chức năng định tuyến Mục tiêu cơ bản cùa các phương pháp định tuyến là nhàm sừ dụng tôi đa tài nguyên mạng và tối thiểu hoá giá thành mạng. Để đạt được điều này kỹ thuật định tuyến phài giảm thiểu tắc nghẽn, sử đụng tối đa băng thông, giảm độ trễ và độ tin cậy cao, giá thành thấp... Vì vậy, một kỹ thuật định tuyến phài thực hiện tốt 2 chức năng chính sau đây: - Quyết định chọn đường theo những tiêu chuần tối ưu nào đó. - Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin dùng cho chức năng trên. Tuỳ thuộc vào kiến trúc, hạ tầng cơ sờ của mạng mà các kỹ thuật chọn đường khác nhau được sử dụng. Các tiêu chuẩn tối ưu khi chọn đường từ node nguồn đến node đích có thể phụ thuộc vào yêu cầu người sử dụng dịch vụ mạng. Giữa mạng và người sừ dụng có thề có các thoà thuận ràng buộc về chất lượng dịch vụ cung cấp. Chức năng cập nhật thông tin định tuyến là chức nàng quan trọng nhất mà các giao thức định tuyến phải thực hiện. Các giải pháp cập nhật thông tin định tuyến nhằm giải quyết bài toán lưu lượng và chọn đường qua mạng. Các mục tiêu cơ bản của định tuyến là: - Tối ưu hiệu năng mạng. - Tối thiểu giá thành mạng. - Tối ưu tham số như băng thông, độ trễ, độ tin cậy, chất lượng gói tin... Vì vậy để đạt được mục tiêu cơ bàn cùa kỹ thuật định tuyến cần phái hoàn thiện được hai chức năng chính sau: - Quyết định chọn đường theo những chuẩn tối ưu nào đó. - Cập nhật thông tin định tuyến, tức là thông tin sử dụng cho chức năng. 2.7.3 Phân loại kỹ thuật định tuyến Dựa vào sụ phân tán của các chức năng chọn đường trên các node cùa mạng, kỹ thuật định tuyến có định tuyến tập trung (Centralized Routing) hay định tuyến phân tán (Distributed Routing). Dựa vào yếu tố thích nghi trạng thái hiện tại cùa mạng có các kỹ thuật định tuyến tĩnh (Static/Fixed Routing) hay định tuyến động (Adaptative Routing). Hai giải pháp định tuyến thường được sử dụng là định tuyến tĩnh và định tuyển động. Định tuyến tĩnh được người quàn trị cập nhật và quàn lý nhân công. Ưu điếm cùa định tuyến tĩnh là có sự thay đồi chậm, nghĩa là tính chịu đàn hồi cùa mạng tốt. Trong một số mạng máy tính, việc sử đụng định tuyến tĩnh sẽ tránh được lưu lượng cập nhặt bàng định tuyến và bảo mật được nguồn tin. Kỹ thuật định tuyến tĩnh có nhiều nhược điềm như độ hội tụ kém, thông tin về cấu trúc mạng thay đổi chỉ được gửi đến Router do nhà quàn trị mạng quy định. Trong kỹ thuật định tuyến động, thông tin về các tuyến Chưcmg 2: Kiên trúc mạng và mó hình kêi nôĩ các hệ thông mớ OSỊ 77 đường sẽ được cập nhật tự động, khi nhận thông tin mới từ tầng mạng. Ưu điềm lớn nhất của định tuyến động là có thể thiết lập tuyến đường tới tất cả các thiết bị trong mạng, tự động thay đổi tuyến đường khi cấu hình mạng thay đổi, vì vậy độ hội tụ nhanh. Các giao thức định tuyến động có thể chuyển lưu lượng từ cùng một phiên làm việc qua nhiều đường đi khác nhau trong mạng, vì vậy hiệu suất mạng cao hơn. Tính chất này được gọi là chia sè tải (Load Sharing). Không như định tuyến tĩnh, định tuyến động đòi hỏi phải cung cấp nhiều tài nguyên mạng hơn như băng thông chẳng hạn. Với các phương thức xử lý phức tạp tại các node là nguyên nhân gây trễ đường truyền. Định tuyến động được xây dựng trên hai yếu tố cơ bàn là mô hình tính toán và thông tin trạng thái. Có hai kiểu mô hình tính toán sừ dụng trong định tuyến động là mô hình tập trung và mô hình phân tán. Mô hình tập trung được xây dựng từ hệ thống tính toán định tuyến, nhưng trong các điều kiện mạng phát triển rất nhanh và mạnh. Mô hình phân tán thực sự có ưu thế độ rộng lớn hơn, vì các chức năng định tuyến được thực hiện trên nhiều thực thể mạng, các thông tin được lưu tại nhiều thực thể và vi thế độ tin cậy cùa mạng tăng lên. Tiêu chuẩn tối ưu định tuyến được xác định bời người quản lý hoặc người thiết kế mạng, có thể là: - Độ trễ trung bình của thời gian truyền gói tin. - Số lượng node trung gian giữa nguồn và đích của gói tin. - Độ an toàn của việc truyền tin. - Nguồn tài nguyên mạng sử dụng cho truyền tin... - Tồ hợp cùa các tiêu chuẩn trên. Việc tối ưu định tuyến phụ thuộc nhiều vào cấu trúc mạng, thông luợng, mục đích sử dụng... Các tiêu chuẩn này có thê thay đôi theo thời gian hoặc khi triển khai các ứng dụng trên mạng, v ấn đề tối ưu hoá định tuyến thường là vấn đề đối lập giữa quan điểm người sù dụng dịch vụ và nhà khai thác dịch vụ mạng. 2.7.4 Các thuật toán chọn đường Biểu diễn mạng dưới dạng một đồ thị, các node cùa đồ thị là các node mạng, các cung của đồ thị là các đường truyền vật lý nối các nođe lại với nhau. Chọn con đường giữa 2 node bất kỳ là xác định con đường ngắn nhất giữa chúng. Có 2 loại thuật toán chọn đường: - Kỹ thuật chọn đường không thích nghi, còn gọi là chọn đường thụ động (non adaptive). Việc chọn đường không có sự trao đổi thông tin, không đo lường và không cập nhật thông tin, không dựa vào câu hình của mạng trong thời gian thực... Con đường được chọn không hề thay đồi, chọn một lần. Vì vậy rất đơn giản, rộng rãi trong các mạng ổn định. 78 Giáo trình Mạng và Truỳén dữ liệu - Kỹ thuật thích nghi, nghĩa là con đường được chọn thích nghi với tinh trạng cùa mạng hiện tại. Mạng có khả năng cung cấp nhiều con đường khác nhau nhanh chóng thích nghi với sự thay đổi bất thường trên mạng. 2.7.5 Thuật toán chọn đường Dijkstra Bài toán đặt ra là từ một node nguồn cho trước hãy xác định con đường ngắn nhất đến tất cả các node còn lại (nođe đích) cùa mạng. Giả sứ trong mạng phương thức trao đồi thông tin là 2 chiều đồng thời (Duplex) và giá thành 2 chiều là một giá trị đuợc ghi bên cạnh các node kề nhau hay nối trực tiếp được với nhau. 2 nođe kề nhau, nối trục tiếp với nhau được hiểu là chúng truyền thông với nhau không qua một node trung gian nào khác. Thuật toán: - Gọi N là số lượng các node của mạng. Không mất tính tổng quát ký hiệu các node là 1, 2, 3.., N. - Ký hiệu s là node nguồn cho trước - Ký hiệu l(ij) là giá thành từ node i đến node j [ d,j Neu i và j nối trực tiếp với nhau. l(ij) = 1 .. L. co Ngược lại. - Gọi Qk là tập các node sau khi thực hiện k bước thuật toán. - M(s,v) giá trị con đường từ node s đến V. M(v,v) = 0. Bước 0: Qo= { s} M(w)= Min l(s.v), {s} * {v} Bước k: fik = Qk.i u { w },