Bài 1 mạng và truyền số liệu nâng cao

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ
KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Chương trình Cao học, môn học:
Truyền số liệu và Mạng máy tính nâng cao
Data Communications and Computer Networks
Lớp K13-T1 (45 tiết)
GVC. TS. Nguyễn Đình Việt
[email protected]
Hà nội – 2007
Phần 2
Mạng máy tính nâng cao
Chương 1 Mở đầu
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
1.2 Truyền dữ liệu
1.3 Kết nối mạng truyền dữ liệu (Data communication networking)
1.4 Các mô hình kiến trúc
1.4 Giao thức trao đổi số liệu
1.5 Các tổ chức chuẩn hoá
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
Source: sinh ra số liệu sẽ được truyền
Transmitter: biến đổi số liệu thành các tín hiệu có thể truyền đi được
Transmission System: Vận chuyển số liệu
Receiver: biến đổi tín hiệu nhận được thành số liệu
Destination: nhận dòng số liệu đi đến
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
Các nhiệm vụ chính của một hệ thống truyền thông:
Transmission System Utilization
Sử dụng một cách hiệu quả các phương tiện truyền thường được chia sẻ giữa nhiều NSD trong hệ thống.
Có thể phải sử dụng các kỹ thuật điều khiển tắc nghẽn.
Interfacing
Để truyền thông, các thiết bị phải giao diện với môi trường truyền
Signal Generation
Sinh ra tín hiệu (điện) biểu diễn thông tin để truyền đi
Synchronization (timing)
Cần phải có một dạng đồng bộ nào đó giữa bên gửi và bên nhận để bên nhận xác định được thời điểm bắt đầu các thành phần của tín hiệu.
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
… Các nhiệm vụ chính của một hệ thống truyền thông:
Exchange Management: Bao gồm nhiều yêu cầu khác nhau đối với 2 bên truyền thông. Thí dụ:
Việc thiết lập kết nốI
Thoả thuận về phương thức truyền (simplex, half-duplex, full-duplex)
Lượng số liệu được phép cho mỗi lần truyền
Phát hiện lỗi và sửa lỗi (Error detection and correction)
Flow control
v.v.
Addressing and routing
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
… Các nhiệm vụ chính của một hệ thống truyền thông:
Recovery
Khác Error correction
Cần đến khi việc trao đổi thông tin đang diễn ra thì bị gián đoạn do xảy ra lỗi ở một chỗ nào đó trong hệ thống:
Kỹ thuật Recovery cần làm cho sự hoạt động của hệ thống trở lại thời điểm trước khi xảy ra gián đoạn
Hoặc khôi phục lại trạng thái của hệ thống tại một thời điểm trước khi xảy ra sự gián đoạn.
1.1 Mô hình truyền thông đơn giản
… Các nhiệm vụ chính của một hệ thống truyền thông:
Security
Đảm bảo cho người gửi rằng chỉ có người nhận thật sự mới nhận được số liệu
Đảm bảo cho người nhận rằng:
Số liệu đến không bị thay đổi
Số liệu đến thực sự là từ người gửi mà người nhận mong đợi
Network Management
Có thể định cấu hình
Giám sát (monitor)
Phản ứng đối với hỏng hóc (failure) và quá tảI
Có thể lập kế hoạch cho các phát triển trong tương lai
1.2 Việc truyền số liệu
Mô hình truyền số liệu được đơn giản hoá
Trên hình vẽ là thí dụ về truyền số liệu kiểu Text (email chẳng hạn)
Bản tin m được một chương trình chạy trên Source biến đổi thành một dãy byte chứa trong bộ nhớ.
Dãy byte được chuyển thành dòng bit g(t) đưa đến Transmitter để điều chế tín hiệu điện và truyền đi – s(t)
Tại Receiver và Destination xảy ra các quá trình biến đổi ngược lại
1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu (Data Communication Networking)
Trong thực thế thường không xảy ra việc hai thiết bị truyền thông với nhau được nối trực tiếp với nhau kiểu point-to-point, vì:
Các thiết bị thường ở xa nhau.
Một số lượng lớn các thiết bị có thể cần số lượng đường truyền lớn đến mức trên thực tế không thể thực hiện được.
Giải pháp: sử dụng mạng truyền thông
Phân loại theo truyền thống: WANs và LANs
Sự khác biệt giữa hai loại mạng này, cả về mặt công nghệ lẫn ứng dụng, những năm gần đây đang mờ dần, tuy nhiên việc thảo luận chúng riêng rẽ vẫn là việc cần thiết.
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
Mô hình mạng được đơn giản hoá
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
WAN (Wide Area Networks)
Vùng địa lý rộng, gồm có một số nút chuyển mạch kết nối với nhau
Các đường truyền thường đi qua các vùng đất công
Ít nhất cũng phải dựa trên một phần của các đường truyền của các hãng truyền thông công cộng.
WAN thường sử dụng một trong các công nghệ:
Circuit switching
Packet switching
Frame relay
Asynchronous Transfer Mode (ATM)
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
Circuit Switching
Thiết lập đường truyền thông dành riêng trong thời gian diễn ra cuộc hội thoại.
Thí dụ điển hình: telephone network
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
Packet Switching
Số liệu được chia thành các gói – packet để gửi đi
Packets đi từ nút này đến nút khác hướng từ nguồn đến đích
Thường được sử dụng cho việc truyền thông:
terminal to computer, and
computer to computer
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
Frame Relay
Hệ thống packet switching có chi phí lớn để xử lý lỗi.
Các hệ thống hiện đại tin cậy hơn trước nhiều
Lỗi có thể được end system phát hiện và khắc phục
Hầu hết các chi phí cho error control được loại bỏ
 Đặc điểm của Frame Relay:
packet switching
+ đường truyền tốc độ cao + BER thấp
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
ATM = Cell relay
Là sự tiến hoá từ frame relay và cả từ circuit switching.
Packet switching + Chi phí thấp cho error control
Cho phép sử dụng nhiều Virtual channel vớI data rate được cấp phát động
Chiều dài packet (cell) cố định
ATM được thiết kế có tốc độ10Mbps ..Gbps
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
ISDN - Integrated Services Digital Network
Được thiết kế nhằm thay thế cho các hệ thống viễn thông công cộng (public telecom system); Có nhiều loại dịch vụ vận chuyển các loạI số liệu khác nhau; Hoàn toàn dùng kỹ thuật số
Chuẩn hoá các giao diện NSD, được thực hiện như một tập các chuyển mạch và đường truyền số
Hai thế hệ:
Narrowband ISDN: based on 64 kbps channels
Circuit-Switching orientation
Example: Frame Relay
Broadband ISDN: based on very high data rate channels
Packet-Switching orientation
Example: ATM
… 1.3 Kết nối mạng truyền thông số liệu
Local Area Networks
Phạm vi địa lý nhỏ
Thường có 1 chủ sở hữu
Tốc độ truyền số liệu cao hơn nhiều
Thường là các hệ thống truyền kiểu broadcast
Ngày nay, một số LAN là các hệ thống chuyển mạch và ATM
1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Sự cần thiết phải có giao thức:
Được sử dụng cho việc truyền thông giữa các thực thể ở các hệ thống khác nhau.
Các thực thể truyền thông với nhau phải “speak the same language”
Các thực thể (Entities):
User applications, e-mail facilities, terminals
Systems
Computer, Terminal, Remote sensor
1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Định nghĩa giao thức:
Webster’s NewWorld Dictionary of Computer Terms. Third Edition.
Protocol: Set of rules or conventions governing the exchange of information between computer systems.
Dictionary of Computing: Information Processing, Personal Computing, Telecommunications, Office Systems, IBM-specific Terms. Eight Edition.
Protocol: A set of semantic and syntactic rules that determines the behavior of functional units in achieving communications.
 Giao thức là tập hợp các quy tắc và quy ước điều khiển việc trao đổi thông tin (truyền thông) giữa các hệ thống máy tính.
1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
... Định nghĩa giao thức:
Giao thức thức không quy định một cách chi tiết việc thực hiện các quy tắc và quy ước trong một hệ thống như thế nào.
Giao thức và các thực thể tham gia trao đổi số liệu tạo thành “Máy giao thức” (Protocol Machine/Engine).
Thí dụ về quy tắc (rule) cụ thể:
Khuôn dạng gói số liệu
Phương thức trao đổi:
hướng kết nối (connection-oriented)
hoặc không kết nối (connectionless)
Phương thức phát hiện và xử lý lỗi trong quá trình trao đổi số liệu
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Các thành phần chủ yếu của giao thức:
Cú pháp - Syntax
Data formats
Signal levels
Ngữ nghĩa - Semantics
Control information
Error handling
Định thời - Timing
Speed matching
Sequencing
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Protocol Architecture
Nhiệm vụ truyền thông được chia nhỏ thành các module
Thí dụ, việc truyền file có thể sử dụng 3 module:
File transfer application
Communication service module
Network access module

… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Simplified File Transfer Architecture
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Mô hình 3 lớp (Three Layer Model)
Network Access Layer
Transport Layer
Application Layer
Protocol Architectures and Networks
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Network Access Layer
Trao đổi số liệu giữa computer và network
Máy gửi phải cung cấp địa chỉ của máy nhận
Máy gửi có thể phải sử dụng các dịch vụ của mạng
Phần mềm cụ thể được sử dụng ở lớp này phụ thuộc vào loại mạng được sử dụng (LAN, packet switched etc.)
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Transport Layer
Trao đổi số liệu tin cậy (thí dụ: không lỗi, đúng thứ tự)
Độc lập với mạng được sử dụng
Độc lập với ứng dụng
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Application Layer
Hỗ trợ các ứng dụng khác nhau của NSD
Thí dụ: e-mail, file transfer
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Addressing Requirements: Mỗi thực thể trong toàn bộ hệ thống phải có một địa chỉ duy nhất. Thực tế cần đến 2 mức đánh địa chỉ:
Mỗi máy tính cần một địa địa chỉ mạng duy nhất
Mỗi chương trình ứng dụng trên một multi-tasking computer cần 1 địa chỉ duy nhất trong máy tính đó:
SAP - the Service Access Point
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Protocols in Simplified Architecture
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Protocol Data Units (PDU)
Tại mỗi lớp đều sử dụng các giao thức để truyền thông
Tại mỗi lớp đều cần bổ sung thông tin điều khiển vào số liệu của NSD
Lớp Transport có thể phân mảnh số liệu của NSD
Mỗi mảnh được bổ sung một header
Địa chỉ SAP tại đích (Destination SAP)
Số thứ tự gói tin (Sequence number)
Mã phát hiện lỗi (Error detection code)
Data + header  TPDU (Transport PDU)
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Network PDU
Network Access Protocol bổ sung network header vào TPDU, có thể gồm:
network address của máy đích
các yêu cầu ưu tiên (Facilities requests)
Protocol Data Unit
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Operation of a Protocol Architecture
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Kiến trúc của bộ giao thức TCP/IP
Được DARPA (Defense Advanced Research Project Agency) phát triển cho mạng chuyển mạch góiARPANET
Được sử dụng trong Internet
Không có mô hình chính thức, nhưng là bộ giao thức đang được sử dụng rộng rãi. Gồm các lớp:
Application layer
Host to host or transport layer
Internet layer
Network access layer
Physical layer
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Physical Layer
Giao diện vật lý giữa thiết bị truyền số liệu (e.g. computer) và môi trường truyền hoặc mạng
Giải quyết các vấn đề liên quan đến
Đặc tính của môi trường truyền
Bản chất của tín hiệu
Mức tín hiệu
Tốc độ truyền tín hiệu
v.v.
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Network Access Layer
Giải quyết các vấn đề liên quan đến việc trao đổi số liệu giữa end system và network
Máy gửi cần cung cấp cho mạng địa chỉ của máy đích
Máy gửi cần sử dụng các dịch vụ của mạng, thí dụ quyền ưu tiên
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Internet Layer (IP)
Hai end systems cần truyền thông cho nhau có thể được nối với 2 mạng khác nhau
 cần các chức năng Routing để gửi các gói tin qua nhiều mạng, từ nguồn đến đích
Giao thức IP được thực hiện trên các hệ thống cuối (end systems) và cả trên các routers
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Transport Layer (TCP)
Đảm bảo việc trao đổi số liệu tin cậy
Đúng thứ tự
+ một số chức năng khác nữa
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
Application Layer
Hỗ trợ cho các ứng dụng khác nhau của NSD
Mỗi ứng dụng cụ thể, thí dụ: http, SMPT , v.v. được một module của tầng này hỗ trợ.
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
TCP/IP Protocol Architecture Model
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức
OSI (ISO OSI) Model
OSI = Open Systems Interconnection
Được phát triển bởi:
ISO = International Organization for Standardization
OSI là mô hình lý thuyết, ra đời quá muộn !
TCP/IP ra đời sau, là một “de facto standard”
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức: Mô hình OSI
Tầng Các chức năng chính
… 1.4 Giao thức và Kiến trúc giao thức: OSI vs TCP/IP
1.5 Các chuẩn (Standards)
Nền công nghiệp truyền thông đòi hỏi phải có các chuẩn để cho các thiết bị có thể truyền thông với nhau
Ưu điểm của việc đặt ra các chuẩn
Đảm bảo cho các thiết bị và phần mềm có một thị trường lớn
Đảm bảo cho các sản phẩm của các nhà cung cấp khác nhau có thể truyền thông với nhau
Nhược điểm
Làm đông cứng công nghệ (Freeze technology)
Có thể có nhiều chuẩn cho cùng một loại sản phẩm.
Ngày nay, các tổ chức đặt ra các chuẩn đang cộng tác với nhau ngày càng chặt chẽ.
... 1.5 Các chuẩn (Standards)
Standards Organizations
Internet Society
ISO
ITU-T (formally CCITT)
ATM forum
...
... 1.5 Các chuẩn (Standards)
Internet Society (= ISOC)
Tổ chức tự nguyện, các thành viên chuyên nghiệp, giám sát một số ban (board) và nhóm đặc nhiệm (Task force) liên quan đến việc phát triển và chuẩn hoá Internet (các giao thức thuộc bộ giao thức TCP/IP).
Ba cơ quan thuộc Internet Sciety
IAB (Internet Architecture Board): có nhiệm vụ định nghĩa kiến trúc tổng thể của Internet; đưa ra các hướng dẫn và định hướng cho đội đặc nhiệm IETF.
IETF (Internet Engineering Task Force) / Working Group: là đội đặc nhiệm về công nghệ giao thức và phát triển giao thức.
IESG (Internet Engineering Steering Group): quản lý về mặt kỹ thuật các hoạt động của IETF và quá trình làm các chuẩn Internet.
... 1.5 Các chuẩn (Standards)
... Internet Society (= ISOC)
IETF
Có các nhóm (working group) phát triển các chuẩn và các giao thức mới
Trong quá trình làm việc, các nhóm có thể đưa ra “Internet Draft” vào online directory. Sau 6 tháng nếu được IESG chấp thuận, “Internet Draft” được công bố  RFC. Ngược lại, phải rút khỏi directory.
IESG quyết định RFC nào được trở thành chuẩn Internet, theo các tiêu chí:
Be stable and well understood
Be technically competent (khá về mặt kỹ thuật)
Have multiple, independent, and interoperable implementations with substantial operational experience
Enjoy significant public support
Be recognizably useful in some or all parts of the Internet
Q&A