Cơ sở lý thuyết của mạng thông tin

Tài liệu này dành cho sinh viên, giáo viên khối ngành công nghệ thông tin tham khảo và có những bài học bổ ích hơn, bổ trợ cho việc tìm kiếm tài liệu, giáo án, giáo trình, bài giảng các môn học khối ngành công nghệ thông tin

Ch−¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ m¹ng

1.1 C¸c kh¸i niÖm c¬ b¶n:

1.1.1 Th«ng tin, d÷ liÖu:

1.1.2 LÞch sö ph¸t triÓn cña m¹ng m¸y tÝnh:

1.1.3 C¸c yÕu tè cña m¹ng m¸y tÝnh

Ch−¬ng 1: Giíi thiÖu vÒ m¹ng

1.3 HÖ ®iÒu hµnh m¹ng:

1.4 KÕt nèi c¸c m¹ng m¸y tÝnh:

Thông tin, dữ liệu

Thông tin là thước đo mức nhận thức, sự hiểu biết về một vấn đề, một sự kiện hoặc một hệ thống

Thông tin, dữ liệu, tín hiệu

z Đối tượng của một hệ thông tin: Đối tượng chính của một

hệ thông tin là truyền thông tin từ nơi này qua nơi khác.

z Dữ liệu ( Data): Là một thuật ngữ dùng để chỉ một phần của

bản tin hay thông tin

z Máy tính ( Computer or uP based): Sử lý dữ liệu dưới dạng

8(-16,32,64) bit đồng thời

Thông tin, dữ liệu, tín hiệu

Tín hiệu: Việc trao đổi thông tin (giữa ngưười và ngưười, giữa ngưười

và máy) hay dữ liệu (giữa máy và máy) chỉ có thể thực hiện đưược nhờ tín hiệu Có thể định nghĩa, tín hiệu là diễn biến của một đại lưượng vật

lý chứa đựng tham số thông tin/dữ liệu và có thể truyền dẫn đưược Theo quan điểm toán học thì tín hiệu đưược coi là một hàm của thời gian

z Tươnq tự: Đây là một hàm liên tục của một đối số liên tục ( thời

Th«ng tin, d÷ liÖu, tÝn hiÖu

LÞch sö ph¸t triÓn cña m¹ng m¸y tÝnh

Các yếu tố của mạng máy tính

* Đường truyền vật lý:

Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu điện giữa các máy tính Các tín hiệu điện đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưưới dạng các xung nhị phân (on-off) Tất cả các tín hiệu đưược truyền giữa các máy tính đều thuộc một dạng sóng điện từ (EM) nào đó, trải từ các tần số radio tới sóng cực ngắn (viba) và tía hồng ngoại Tùy theo tần số của sóng điện từ có thể dùng các

đường truyền vật lý khác nhau để truyền các tín hiệu

C¸c yÕu tè cña m¹ng m¸y tÝnh

Khi xem xét lựa chọn đường truyền vật lý, ta cần chú ý tới các

đặc trưng cơ bản của chúng là giải thông (bandwidth), độ suy

hao và độ nhiễu điện từ.

* Giải thông của một đường truyền chính là độ đo phạm vi tần

số mà nó có thể đáp ứng đưược

* Tốc độ truyền dữ liệu trên đưường truyền còn đưược gọi là

thông lượng (throughput) của đưường truyền thường được tính

bằng số lượng bit được truyền đi trong 1 giây (bps) Thông

lượng còn được đo bằng một đơn vị khác là baud Baud biểu thị

số lượng thay đổi tín hiệu trong một giây

*Độ suy hao là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đưường truyền

Nó cũng phụ thuộc vào độ dài cáp

*Độ nhiễu điện từ (EMI - Electromagnetic Interference) gây ra

bởi tiếng ổn điện từ bên ngoài làm ảnh hưởng đến tín hiệu trên

đưường truyền

Các yếu tố của mạng máy tính

Hiện nay cả 2 loại đường truyền hữu tuyến (cable) và vô tuyến (wireless) đều được sử dụng trong việc nối kết mạng máy tính

Đường truyền hữu tuyến gồm có :

- Cáp đồng trục (coaxial cable)

- Cáp đôi xoắn (twisted - pair cable), gồm 2 loại : có bọc kim (Shielded) và không bọc kim (Unshielded)

- Cáp sợi quang (fiber -optic cable)

Đưường truyền vô tuyến gồm có :

- Radio

- Sóng cực ngắn (microwave)

- Tia hồng ngoại (infrared)

Các yếu tố của mạng máy tính

*Kiến trúc mạng:

Kiến trúc mạng máy tính (network architecture) thể hiện cách

nối các máy tính với nhau ra sao và tập hợp các qui tắc, qui −ớc

mà tất cả các thực thể tham gia truyền thông trên mạng phải

tuân theo để đảm bảo cho mạng hoạt động tốt Cách nối các

máy tính đ−−ợc gọi là hình trạng (topolopy) của mạng (ta gọi là

topo của mạng) Còn tập hợp các qui tắc, qui −ớc truyền thông thì đ−ợc gọi là giao thức (protocol) của mạng To po và giao

thức mạng là hai khái niệm rất cơ bản của mạng máy tính

Các yếu tố của mạng máy tính

* Topo mạng: Có 2 kiểu nối mạng chủ yếu là điềm-điểm to-point) và quảng bá (broadcast hay point-to-multipoint).

(point-Theo kiểu điểm - điểm các đường truyền nối từng cặp nút với

nhau và mỗi nút đều có trách nhiệm lưu trữ tạm thời sau đó chuyển tiếp dữ liệu đi cho tới đích Do cách thức làm việc nhưthế nên mạng kiểu này còn đưược gọi là mạng "lưu và chuyển tiếp"(store and forward)

C¸c yÕu tè cña m¹ng m¸y tÝnh

Theo kiểu quảng bá, tất cả các nút phân chia chung một đường

truyền vật lý Dữ liệu được gửi đi từ một nút nào đó sẽ có thể

được tiếp nhận bởi tất cả các nút còn lại, bởi vậy cần chỉ ra địa chỉ đích của dữ liệu để mỗi nút căn cứ vào đó kiểm tra xem dữliệu có phải dành cho mình hay không?

C¸c yÕu tè cña m¹ng m¸y tÝnh

* Giao thức mạng :

Việc trao đổi thông tin, cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những qui tắc nhất định Ngay cả hai ngưười nói chuyện với nhau muốn cho cuộc nói chuyện có kết quả thì ít nhất cả hai cũng phải ngầm tuân thủ qui tắc: khi ngưười này nói thì người kia phải nghe và ngược lại Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy, cấn phải có những quy tắc, quy ước về nhiều mặt, từ khuôn dạng (cú pháp, ngữ nghĩa) của dữ liệu cho tới các thủ tục gửi, nhận dữ liệu kiểm soát hiệu quả và chất lượng truyền tin và xử lý các lỗi và sự cố Yêu cầu về xử lý và trao đổi thông tin của ngưười sử dụng càng cao thì các qui tắc càng nhiều và phức tạp hơn Tập hợp tất cả những qui tắc, qui ước đó

được gọi là giao thức (protocol) của mạng Rõ ràng là các mạng

có thể sử dụng các giao thức khác nhau tùy sự lựa chọn của ngưười thiết kế

Phân loại mạng máy tính

Nếu lấy "khoảng cách địa lý" làm yếu tố chính để phân loại thì

ta có mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng và mạng toàn

cầu.

z *Mạng cục bộ (Local Area Networks - viết tắt là LAN): là mạng

đưược cài đặt trong một phạm vi tương đối nhỏ (ví dụ trong 1

tòa nhà, khu trường học v.v ) với khoảng cách lớn nhất giữa các máy tính nút mạng chỉ trong vòng vài chục ki-lô-mét trở lại.

z *Mạng đô thị (Metropolitan Area Networks - viết tắt là MAN): làmạng được cài đặt trong phạm vi một đô thị hoặc một trung tâm kinh tế - xã hội có bán kính khoảng 100 ki-lô-mét trở lại

z *Mạng diện rộng (Wide Area Networks : viết tắt là WAN): phạm

vi của mạng có thể vượt qua biên giới quốc gia và thậm chí cảlục địa

z *Mạng toàn cầu (Global Area Netwoks - viết tắt là GAN): phạm

vi của mạng trải rộng khắp các lục địa của Trái Đất)

Phân loại mạng máy tính

Nếu lấy "kỹ thuật chuyển mạch" (switching) làm yếu

tố chính để phân loại thì ta sẽ có : mạng chuyền

mạch kênh, mạng chuyển mạch thông báo và mạng chuyển mạch gói.

Phân loại mạng máy tính

*Mạng chuyển mạch kênh (circuit - switched networks): Trong trường hợp này, khi có 2 thực thể cần trao đổi thông tin với nhau thì giữa chúng sẽ được thiết lập một "kênh" (circuit) cố định và

được duy trì cho đến khi một trong hai bên ngắt liên lạc Các dữ liệu chỉ được truyền theo con đường cố định đó.

Ph©n lo¹i m¹ng m¸y tÝnh

*Mạng chuyển mạch thông báo (message - switched

networks) : Thông báo (message) là một đơn vị

thông tin của người sử dụng có khuôn dạng được qui

định trước Mỗi thông báo đều có chứa vùng thông tin điều khiển trong đó chỉ định rõ đích của thông báo Căn cứ vào thông tin này mà mỗi nút trung gian

có thể chuyển thông báo tới nút kế tiếp theo đường dẫn tới đích của nó Như vậy, mỗi nút cần phải lưu trữ tạm thời để "đọc" thông tin điều khiển trên thông báo để rồi sau đó chuyển tiếp thông báo đi Tùy thuộc vào điều kiện của mạng, các thông báo khác nhau có thể được gửi đi trên các con

đường khác nhau

Ph©n lo¹i m¹ng m¸y tÝnh

*Mạng chuyển mạch gói (packet -switched networks): Trong trường hợp này, mỗi thông báo

được chia thành nhiều phần nhỏ hơn gọi là các gói

tin (packet) có khuôn dạng qui định trước Mỗi gói tin

cũng chứa các thông tin điều khiển, trong đó có địa chỉ nguồn (người gửi) và đích (người nhận) của gói tin Các gói tin thuộc về một thông báo nào đó có thể

được gửi đi qua mạng để tới đích bằng nhiều con

đường khác nhau

Ph©n lo¹i m¹ng m¸y tÝnh

*Người ta còn có thể phân loại mạng theo kiến trúc mạng(topo và giao thức sử đụng) Chẳng hạn chúng

ta thường nghe nói đến mạng SNA (System Network Architechture) của IBM, mạng ISO (theo kiến trúc chuẩn quốc tế), hay mạng TCP/IP v.v

Kiến trúc phân tầng

Để giảm độ phức tạp của việc thiết kế và cài đặt mạng, hấu hết các mạng máy tính hiện có đều được phân tích thiết kế theo quan điểm phân tầng (layering) Mỗi hệ thống thành phần của mạng đưược xem như là một cấu trúc đa tầng, trong đó mỗi tầng được xây trên tầng trước nó Số lượng các tầng cũng nhưtên và chức năng của mỗi tầng là tùy thuộc vào các nhà thiết

kế

z P4 : Các chức năng giống nhau đ−ợc đặt vào cùng một tầng

z P5 : Chọn ranh giới các tầng theo kinh nghiệm đã đ−ợc chứng

Mô hình hệ mở

z P8 :Tạo một tầng khi dữ liệu đưược xử lý một cách khác biệt.

z P9 : Cho phép các thay đổi chức năng hoặc giao thức trong một tầng không làm ảnh hưởng đến các tầng khác

z P10 : Mỗi tầng chỉ có các ranh giới (giao diện) với các tầng kề trên và dưới nó

z Các nguyên tắc tương tự được áp dụng khi chia các tầng

con(sublayer) :

z P11: Có thể chia một tầng thành các tầng con khi cần thiết

z P12 : Tạo các tầng con để cho phép giao diện với các tầng kề cận

z P13 : Cho phép hủy bỏ các tầng con nếu thấy không cần thiết

M« h×nh hÖ më

z PHYSLCAL: Liên quan đến nhiệm vụ truyền dòng bit không có cấu trúc qua đường truyền vật lý, truy nhập

đường truyền vật lý nhờ các phương tiện cơ, điện, hàm, thủ tục

z DATA LINK: Cung cấp phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy; gửi các khối dữ liệu (frame) với các cơ chế đồng bộ hóa, kiểm soát lỗi và kiểm soát tuồng dữ liệu cần thiết

z NETWORK: Thực hiện việc chọn đường và chuyển tiếp thông tin với công nghệ chuyển mạch thích hợp, thực hiện kiểm soát luồng dữ liệu và cắt/hợp dữ liệu nếu cần.

Mô hình hệ mở

z TRANSPORT:Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu mút (end-to-end); thực hiện cả việc kiềm soát lỗi và kiểm soát luồng dữ liệu giữa đầu mút Cũng có thể thực hiện việc ghép kênh (multiplexing) cắt/hợp dữ liệu nếu cần

z SESSION: Cung cấp phương tiện quản lý truyền thông giữa các ứng dụng thiết lập, duy trì, đồng bộ hóa và huỷ bỏ các phiên truyền thông giữa các ứng dụng

z PRESENTATLON:Chuyển đổi cú pháp dữ liệu để đáp ứng yêu cầu truyền dữ liệu của các ứng dụng qua môi trường OSI

z APPLICATION: Cung cấp các phương tiện để người sử dụng có thể truy nhập được vào môi trường OSI, đồng thời cung cấp các dịch vụ thông tin phân tán

Phương thức hoạt động

ở mỗi tầng trong mô hình OSI có 2 phương thức hoạt động

chính được áp dụng : phương thức có liên kết onented) và phương thức không liên kết (connectionless).

(connection-Với phương thức có liên kết, trưước khi truyền dữ liệu cần thiết

lập một liên kết lôgic giữa các thực thể đồng mức Trong khi đó,

với phương thức không liên két thì không cần thiết lập liên kết

lôgic và mỗi đơn vị dữ liệu được truyền là độc lập với các đơn vị dữ liệu trước hoặc sau nó

Phương thức hoạt động

Như vậy đối với phương thức có liên kết, quá trình truyền thông

phải bao gồm 3 giai đoạn phân biệt :

- Thiết lập liên kết (lôgic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống sẽthương lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai

đoạn sau (truyền dữ liệu)

- Truyền dữ liệu : dữ liệu đưược truyền với các cơ chế kiểm soát vàquản lý kèm theo (nhưư kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu,

cắt/hợp dữ liệu v.v ) để tăng cường độ tin cậy và hiệu quả của

việc truyền dữ liệu

- Hủy bỏ liên kết (lôgic) : giải phóng các tài nguyên

Phương thức hoạt động

Còn đối với phương thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi.

Hệ điều hành mạng

Cùng với việc ghép nối các máy tính thành mạng, cần thiết phải có các hệ điều hành trên phạm vi toàn mạng có chức năng quản lý dữ liệu và tính toán, xử

lý một cách thống nhất Các hệ thống nh− vậy đ−ợc

gọi chung là hệ điều hành mạng (Network Operating

Systems-viết tắt là NOS) Để thiết kế và cài đặt một

hệ điều hành mạng, có thể có 2 cách tiếp cận khác nhau.

Hệ điều hành mạng

( 1 ) Tôn trọng tính độc lập của các hệ điều hành cục

bộ đã có trên các máy tính của mạng Lúc đó, hệ

điều hành mạng được cài đặt như một tập các chương trình tiện ích chạy trên các máy khác nhau của mạng Tuy không được "đẹp" nhưng giải pháp này dễ cài đặt và không vô hiệu hóa các phần mềm

đã có.

Hệ điều hành mạng

(2) Bỏ qua các hệ điều hành cục bộ đã có trên các máy và cài một hệ điều hành thuần nhất trên toàn mạng mà người ta còn gọi là hệ điều hành phân tán (distnbuted operating system) Rõ ràng là giải pháp này "đẹp hơn" về phương diện hệ thống so với giải pháp trên nhưng bù lại là độ phức tạp của công việc lớn hơn nhiều Mặt khác, việc tôn trọng tính độc lập

và chấp nhận sự tổn tại của các sản phẩm hệ thống

đã có là một điểm hấp dẫn của cách tiếp cận thứ nhất

Kết nối mạng máy tính.

Các tiếp cận:

Do nhu cầu trao đổi thông tin trong xã hội phát triển ngày càng cao nên việc kết nối các mạng máy tính lại với nhau đã trởthành một vấn đề được quan tâm đặc biệt Mục tiêu đề ra làphải làm sao để những người sử dụng trên các mạng khác nhau (về chủng loại, kiến trúc hoặc vị trí địa lý) có thể trao đối thông tin với nhau một cách dễ dàng và hiệu quả Để kết nối các mạng đang tồn tại lại với nhau, người ta thường xuất phát từ một trong hai quan điểm sau đây :

(1) Xem mỗi nút của mạng con như là một hệ thống mở, hoặc

(2) Xem mỗi mạng con như là một hệ thống mở.

Kết nối mạng máy tính.

- Quan điểm (l) cho phép mỗi nút của mạng con có thể truyền thông trực tiếp với một nút của mạng con bất kỳ khác Nh− vậy toàn bộ các mạng con cũng sẽ là nút của mạng lớn và tuân thủmột kiến trúc chung

- Quan điểm (2), hai nút thuộc hai mạng con khác nhau không thể "bắt tay" trực tiếp với nhau đ−ợc mà phải thông qua một

phần tử trung gian gọi là giao diện nối kết (Interconnection

Interface) đặt giữa hai mạng con đó Có nghĩa là cũng hình thành một mạng lớn gồm các giao diện nối kết và các máy chủ(host) đ−ợc nối với nhau bởi các mạng con

KÕt nèi m¹ng m¸y tÝnh.