Mạng máy Tính và Lập trình mạng

----Mạng máy tính và ứng dụng trong đời sống--- Mạng máy tính computer network là hệ thống bao gồm nhiều hệ máy tính đơn lẻ nút mạng được kết nối với nhau theo kiến trúc nào đó và có k

Mạng máy tính và ứng dụng trong đời

sống - Mạng máy tính (computer network) là hệ thống bao gồm

nhiều hệ máy tính đơn lẻ (nút mạng) được kết nối với nhau theo

kiến trúc nào đó và có khả năng trao đổi thông tin.

 Kết nối (interconnected): dây (wire), sóng (wave)…

 Kiến trúc (architecture): cách thức kết nối và trao đổi thông tin

 Nút mạng (node): host, workstation, network component…

 Lợi ích của mạng:

 Chia sẻ, trao đổi thông tin

 Tăng cường sức mạnh của hệ thống (distributed system, parallel system)

+Các yếu tố của mạng máy tính:

 Đường truyền vật lý (physical media)

 Truyền tín hiệu giữa các hệ thống.

 Hữu tuyến (cable) và vô tuyến (wireless)

 Dải thông (bandwidth):

 Tốc độ (speed) hay thông lượng (throughput):

 Kiến trúc mạng (network architecture)

 Hình trạng mạng (topology)

 Giao thức (protocol)

-Phân loại (network classification,

taxonomy) - Theo topo mạng

 Broadcast: Truyền quảng bá

 Point-to-point (switched): Truyền điểm-điểm

 Theo kỹ thuật truyền (transmission technique)

 Circuit-switched

 Message/Packet-switched

 Theo quy mô (scale)

 LAN

 MAN

 WAN

+Circuit switching:

Ưu điểm: Một kênh truyền được dành riêng trong suốt quá trình

giao tiếp do đó tốc độ truyền dữ liệu được bảo đảm, Khi một kênh

được thiết lập sẽ không có độ trễ truy cập, do kênh truyền luôn sẵn sàng

nên việc yêu cầu kênh truyền lại là không cần thiết.

Không thiết lập liên kết dành riêng

Mỗi thông báo là khối độc lập

Ưu điểm:Quản lý hiệu quả hơn đối với sự lưu thông của

mạng,Giảm sự tắc nghẽn trên mạng,Tăng hiệu quả sử dụng kênh truyền

Giao thức mạng

(Protocol  Giao thức (protocol): Tập hợp các quy tắc giao tiếp giữa các hệ máy tính.

 Việc truyền tín hiệu trên mạng cần phải có các qui tắc, qui ước về nhiều mặt, từ khuôn dạng

 Yêu cầu về xử lý và trao đổi càng cao thì giao thức càng phức tạp

 Được sử dụng cho việc truyền thông giữa các thực thể ở các hệ thống khác nhau

+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

 Mô hình giao thức mạng hiện nay tuân theo kiến trúc phân tầng

 Mỗi tầng đảm nhận những chức năng nhất định

 Chỉ có tầng duới cùng là giao tiếp trực tiếp với nhau

 Mỗi tầng chỉ giao tiếp với nhiều nhất hai tầng (kề trên, kề dưới)

 Thông tin truyền từ tầng N của hệ thống 1 sang tầng N của

hệ thống 2 phải truyền qua các tầng N-1 ◊ N-2 ◊…◊1 của hệ thống 1 và các tầng 1◊2◊…◊N-1 của hệ thống 2

Giao thức truyền thông được chia làm hai loại:

 Truyền tin có liên kết: 3 giai đoạn

 Thiết lập liên kết ,Truyền dữ liệu ,Huỷ bỏ liên kết

 Truyền thông không liên kết: chỉ có giai đoạn truyền dữ liệu

 Thường sử dụng cho các tầng thấp, đường truyền có độ tin cậy cao

-Các mô hình tham chiếu (Reference

Models) *OSI

 Đưa ra bởi ISO (International Organization for Standardization) năm 1984

 Mô hình tham chiếu lý thuyết cho các hệ thống mở nói chung

 7 tầng: Physical, Data Link, Network, Transport, Session,

Presentation, Application

*TCP/IP Reference Model: Sử dụng cho mạng Internet, 5 tầng: Physical,

Data Link, Network, Transport, Application

TCP/IP Reference Model

***Với mô hình OSI:

Layer 1: The Physical Layer:

 Chỉ có tầng vật lý của hai hệ thống được kết nối và truyền thông trực tiếp với nhau

 Các đặc tả vật lý nhằm đảm bảo sự kết nối và truyền tín hiệu giữa

hai hệ thống

 Đường truyền vật lý dùng để truyền các tín hiệu giữa các máy tính

 Môi trường truyền (media): Môi trường truyền có thể là các loại

dây dẫn (dây cáp), sóng (đối với các mạng không dây)

 Đường truyền hữu tuyến: Cáp đồng trục,Cáp đôi xoắn,Cáp quang

…

 Đường truyền vô tuyến: Sóng cực ngắn,Tia hồng ngoại…

 Một số yếu tố khác:Mức điện thế, Thời gian biến thiên hiệu điện thế, Chu kỳ tín hiệu, khoảng cách…

Layer 2: The Data Link Layer

 Biến dữ liệu thô nhận được từ tầng vật lý thành dữ liệu có cấu trúc logic cụ thể hơn

Framing

Physical Addressing

 Đảm bảo sự tin cậy của tín hiệu truyền giữa hai tầng vật lý.

 Kiểm soát lỗi

 Kiểm soát luồng

 Bao gồm hai tầng con (LLC và MAC)

Layer 3: The Network Layer

 Chọn đường đi giữa các nút mạng

 Điều khiển luồng mạng con

 Phân mảnh & lắp ghép dữ liệu

 Kết nối các mạng có kiến trúc khác nhau

Layer 4: The Transport Layer

 Tầng trên cùng của quá trình truyền dữ liệu

 Đảm bảo dữ liệu được truyền thông suốt và tin cậy giữa hai hệ thống

 Phân mảnh/ lắp ghép dữ liệu

 Kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng

 Thiết lập, quản lý các kênh liên lạc

 Dồn kênh

Layer 5: The Session Layer

 Tầng dưới cùng trong số các tầng thao tác trên dữ liệu nhận về

 Thiết lập và quản lý các phiên truyền thông giữa hai hệ thống Chứng thực ,Thiết lập liên kết ,Huỷ bỏ liên kết ,Phản hồi ,Truyền lại

Layer 6: The Presentation Layer

 Đảm bảo thông tin truyền từ ứng dụng của hệ thống truyền có thể đọc được bởi ứng dụng của hệ thống nhận

 Cú pháp và ngữ nghĩa của dữ liệu, Định dạng dữ

liệu,Chuyển đổi dịnh dạng ,Nén dữ liệu

Layer 7: The Application Layer

 Cung cấp các phương tiện để người dùng có thể truy cập vào mô hình OSI

 Các giao thức truyền thông điệp giữa các chương trình ứng dụng (web, mail…)

 Các dịch vụ cho các ứng dụng nằm ngoài mô hình OSI (Word, Access, SQL Server

***Với mô hình TCP/IP:

 Mô hình OSI chỉ mang tính chất lý thuyết, phục vụ

nghiên cứu và học tập.

 TCP/IP là mô hình áp dụng cho mạng Internet.

 TCP = Transmission Control Protocol

 IP = Internet Protocol

 TCP, IP là hai giao thức phổ biến trong họ giao thức TCP/IP

-Chuẩn mạng máy tính (network

standards) - OSI:

• Chỉ nêu lên chức năng của từng tầng

• Không chỉ ra cài đặt các tầng này như thế nào

• Để hai hệ thống giao tiếp được với nhau thì chúng cần:

• Được cài đặt các chức năng truyền thông chung

• Tổ chức thành cùng một tập tầng

• Hai tầng đồng mức phải có chung giao thức

 Từ đó, cần phải chuẩn hoá (standardization)

 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

-Hệ điều hành trong môi trường

mạng - Không hỗ trợ mạng

 DOS

Chương 2:

Giao thức tầng ứng dụng (application layer)

 Applications:

 Chương trình ứng dụng chạy trên các máy tính

 Trao đổi thông điệp (message) với các ứng dụng khác nhằm thực thi vai trò của ứng dụng

 Application-layer protocols:

 Là một thành phần của chương trình ứng dụng

 Định nghĩa các quy tắc trao đổi thông điệp

 Giao tiếp với các dịch vụ được cung cấp bởi tầng dưới (TCP, UDP

Mô hình khách-phục vụ (client-server paradigm)

 Client

 Thiết lập liên kết với server

 Yêu cầu dịch vụ từ server

 Nhiều clients

 Server

 Chờ và cung cấp các dịch vụ khi client yêu cầu

 Thường chỉ có 1 server, không thay đổi địa chỉ, chạy 24/7

Yêu cầu đối với việc vận chuyển dữ liệu

 Data loss

 Các ứng dụng audio/video có thể chấp nhận mất mát, sai lệch dữ liệu trong khoảng cho phép

 Email, file transfer yêu cầu dữ liệu phải chính xác

 Timing

 Các ứng dụng online cần độ trễ (delay) nhỏ (phone, games)

 Bandwidth

 Các ứng dụng multimedia cần đường truyền tốc độ cao để đảm bảo chất lượng

 Các ứng dụng email, file transfer mềm dẻo hơn, tuỳ theo tốc độ

-Web &

HTTP - Trang web (web page): một loại tài liệu có chứa trong đó nhiều đối tượng: text, image, audio, Java applet, HTML…

 Về cơ bản, web page = HTML file (base HTML)

 HTML = Hyper Text Markup Language.

 HTML sử dụng các thẻ (tag) để mô tả đối tượng chứa trong nó

 Mỗi đối tượng được chỉ ra bởi địa chỉ URL (Uniform Resource Locator)

 http://www.hua.edu.vn:80/cs/index.htm

HTTP (Hyper Text Transfer Protocol):

 Giao thức tầng ứng dụng web

 Sử dụng mô hình client/server

 Client (user agent):

 Trình duyệt web (web browser)

 Yêu cầu truy cập web thông qua URL (URL request)

 Server

 Máy phục vụ web (web server)

 Gửi các đối tượng tới client thông quan phản hồi (response)

HTTP: Quá trình trao đổi thông điệp

 Client (browser) thiết lập liên kết tới web server (TCP connection) qua cổng 80 (mặc định)

 Server đồng ý kết nối (accept)

 Các thông điệp (HTTP messages) được trao đổi giữa browser và server

 Ngắt kết nối

Web Caches (proxy server)

 Client gửi http requests tới web cache thay vì tới server

 Nếu obj có tại web cache: web cache tạo http response msg gửi về cho client

 Nếu không, web cache tạo gửi http request tới server, nhận obj, lưu trữ, rồi gửi http response msg tới client

 Web cache sẽ khiến người dùng có cảm giác duyệt web nhanh hơn, giảm nghẽn mạng

Web design: HTML

 Thiết kế web: Tạo ra tài liệu HTML

 HTML (Hyper Text Markup Language)

 Trong tài liệu HTML có thể có nhiều đối tượng: Text,

Images, Hyper link

 Sử dụng thẻ (tag) để diễn đạt đối tượng.: Thẻ mở ,Thẻ đóng

 Công cụ:

 Text editor: Notepad, Ultra Edit

 Microsoft FrontPage

 Macromedia Dreamweaver

FTP - File Transfer Protocol:

 Truyền/tải tệp (to/from remote host).

 Client/server model

 Client: đưa ra yêu cầu truyền tải.

 Server = remote host.

 FTP: RFC 959

 FTP sử dụng TCP

 FTP sử dụng đồng thời 2 liên kết TCP tại 2 cổng:

 TCP control connection, port 21

 TCP data connection, port 20: truyền tải tệp

 FTP lưu giữ trạng thái client trong phiên làm việc

Electronic Mail:

Ba thành phần chính:

 User agents (mail clients)

 Soạn, đọc thư (messages):Outlook, Eudora, Netscape

 Mail servers

 Lưu trữ, xử lý thư|: Exchange, MDeamon…

 Protocols: (SMTP), (POP) (IMAP).(HTTP).

SMTP :

 Sử dụng liên kết TCP (port 25) để gửi mails:

Từ sender’s mail client tới sender’s mail server.

 Từ sender’s mail server tới receiver’s mail server.

 Ba pha:

 Bắt tay ,Trao đổi messages., Kết thúc.

 Command/response:

 SMTP sử dụng persistent connection: một liên kết, nhiều thông điệp

 Thông điệp (nội dung thư) phải được mã hoá dạng ASCII 7 bit

 Đánh dấu kết thúc msg bởi CRLF.CRLF

 Một số dữ liệu nhị phân (vd: picture) có thể chứa CRLF.CRLF à cần mã hoá để đảm bảo không có dữ liệu nào trùng với ký hiệu kết thúc message (vd: base64)

 So sánh với HTTP:

 HTTP: pull protocol <> SMTP: push protocol

 Cùng sử dụng ASCII (command/req/resp/status code).

 HTTP: mỗi obj chứa trong một msg <> SMTP: cho phép nhiều obj (text, picture…) trong một msg (multipart msg)

DNS services:

DNS không tương tác trực tiếp với users mà cung cấp các dịch vụ cho các chương trình khác (HTTP, FTP…) thuộc tầng ứng dụng:

 Host name à IP (hostname to IP resolve)

 Host aliasing

 Một máy tính có tên chính thức và có thể có bí danh

 Mail server aliasing

 Load distribution (phân tán tải): Một dịch vụ web có thể được cung cấp tại nhiều server có IP khác nhau để phân tán tải do lượng người

sử dụng cao

Chương 3.

Giao thức tầng giao vận (transport layer)

Transport Layer Services & Principles:

 Cung cấp phương tiện truyền thông logic giữa các applications

 PDUs: application: messages, transport: segments (đoạn)

 Các msg từ tầng application gửi xuống được chia nhỏ thành các đoạn (segments)

 Transport protocol được thực thi tại các trạm cuối (end system)

Transport & Network layers

 Network layer:

 Truyền thông logic giữa các trạm làm việc (host)

 PDUs = packets (gói)

 IP (Internet Protocol) là giao thức truyền không tin cậy

 Transport layer:

 Tạo phương thức truyền thông logic giữa các ứng dụng

 Nhận các gói tin từ tầng Network gửi lên

Multiplexing/demultiplexing (mux/demux)

 Multiplexing (chia kênh): Các msgs từ các apps (P1,P2) được chia nhỏ và đóng thành các segments

 Demultiplexing (dồn kênh): Các segments nhận được được gửi tới apps tương ứng (P3, P4)

Connectionless Transport (UDP).

 User Datagram Protocol [RFC 768]

chỉ cần những thủ tục cơ bản nhất

thông tin điều khiển cũng chỉ cần cơ bản nhất

 “best effort” service: dữ liệu có thể mất mát, sai sót nhưng luôn “cố gắng hết sức” để giảm thiểu

Không có cơ chế bắt tay (handshaking): thiết lập ◊ truyền dữ liệu ◊ kết thúc

Không nắm giữ trạng thái

Các segments được xử lý độc lập với nhau.

RDT2.0: problems

 Nếu ACK, NAK bị lỗi?

 Giải pháp:

 Sender truyền lại nếu như ACK/NAK bị lỗi

 Kiểm soát lặp gói tin

 Thêm vào gói tin trường số thứ tự

 Căn cứ vào số thứ tự gói tin, receiver bỏ qua những gói tin bị lặp

◊ Sender sẽ không gửi gói tin tiếp theo nếu như chưa chắc chắn receiver nhận được gói trước đó

RDT3.0: channels with errors and loss:

 Tầng dưới: Có thể có lỗi , Có thể gây mất mát gói tin

 Giải pháp:

 Sender truyền lại gói tin nếu như chờ ACK một thời gian nhất định nào đó mà không thấy

 Nếu ACK hay gói tin chỉ bị chậm thôi?

 truyền lại sẽ gây ra hiện tượng lặp gói tin

 cần sequence number

TCP Connection management: ngắt liên kết:

 Bước 1: client (phía muốn ngắt liên kết) gửi TCP FIN segment

 Bước 2: server (phía còn lại) nhận được FIN, gửi ACK, ngắt liên kết, gửi tiếp FIN segment

 Bước 3: client nhận FIN, trả lời bằng ACK timed wait (chờ một lúc nữa cho tới khi liên kết đóng hẳn)

 Bước 4: server nhận ACK, đóng liên kết

Congestion control:

 Nghẽn mạng là điều khó tránh khỏi!!!

 Khi mạng bị nghẽn, các gói tin có thể bị trễ hay bị mất

 Hai hướng tiếp cận:

 End-end congestion control: Thông tin về mức độ nghẽn mạng được suy ra từ lượng tin bị mất mát trong quá trình truyền

 Network-assited congestion control: Routers cung cấp các thông tin phản hồi về tình trạng nghẽn mạng tới end systems

 Bit thông báo nghẽn mạng ◊ đừng gửi nữa hoăc xin chờ một lát

 Tốc độ tối đa cho phép gửi (maximum rate allowed)

 TCP sử dụng phương pháp end-end congestion control

 Hiện tượng tắc nghẽn (congestion): lưu lượng đến mạng tăng lên,

thông lượng vận chuyển của mạng lại giảm đi

 Deadlock: tình trạng tắc nghẽn trầm trọng đến mức mạng bị nghẹt

hoàn toàn, thông lượng vận chuyển của mạng tụt xuống bằng không

 Nguyên nhân dẫn đến tắc nghẽn:

 Lưu lượng đi đến trên nhiều lối vào đều cần cùng một đường

đi ra

 Tốc độ xử lý tại các router chậm

 Các đường truyền có bandwidth thấp = cổ chai

*** Tắc nghẽn có khuynh hướng tự nó làm gia tăng

 Điều khiển tắc nghẽn (Congestion control)

-Đảm bảo cho mạng có khả năng vận chuyển lưu lượng đưa vào -Đó là một vấn đề toàn cục, liên quan đến hành vi của mọi nút mạng, quá trình chứa và chuyển tiếp trong mỗi nút mạng và các yếu tố khác có khuynh hướng làm giảm thông lượng của mạng

 Điều khiển lưu lượng là để tránh tắc nghẽn

 Điều khiển tắc nghẽn là để giải quyết vấn đề tắc nghẽn khi

nó xuất hiện hoặc có dấu hiệu sắp xảy ra

Sử dụng TCP hay UDP:

Một số so sánh TCP/UDP:

TCP:

 Có liên kết, lưu trữ trạng thái liên kết (quản lý liên kết)

 Điểm-điểm

 Có độ trễ (delay): thiết lập, quản lý liên kết, luồng, nghẽn…

 Segment header lớn (20 bytes)

 Bị giới hạn tốc độ truyền (congestion control)

UDP:

 Không liên kết, không lưu trữ trạng thái

 Điểm-điểm, quảng bá

 Độ trễ thấp

 Segment header nhỏ (8 bytes)

 Không giới hạn tốc độ truyền