Giáo trình TCPIP căn bản

▪ Việc chuyển dữ liệu từ máy tính này đến máy tính khác do mạng thực hiện thông qua những quy định thống nhất gọi là giao thức của mạng.Khi các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau thì một

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

Hậu Giang – Năm 2011

1 Đề cương môn học

Chương 1 Mô hình kết nối hệ thống mở OSI

1.1 Nguyên tắc định nghĩa các tầng trong mô hình OSI

1.2 Các giao thức trong mô hình OSI

1.3 Truyền dữ liệu trong mô hình OSI

1.4 Vai trò và chức năng chủ yếu của các tầng

Chương 2 Bộ giao thức TCP/IP

2.1 Giới thiệu về TCP/IP

2.2 Các tầng trong mô hình truyền thông TCP

2.4 Các kiểu truyền dữ liệu

Chương 3 Các công nghệ tầng liên kết

4.3.2 Tiêu đề IP

4.3.3 Phân mảnh

4.3.4 Định tuyến IP

4.4 Giao thức điều khiển thông báo ICMP

Chương 5 Các giao thức tầng giao vận

2 Nội dung bài giảng chi tiết

Chương 1 Mô hình kết nối hệ thống mở OSI

1.1 Sự cần thiết phải có mô hình truyền thông

Để một mạng máy tính trở một môi trường truyền dữ liệu thì nó cần phải có những yếu

tố sau:

▪ Mỗi máy tính cần phải có một địa chỉ phân biệt trên mạng

▪ Việc chuyển dữ liệu từ máy tính này đến máy tính khác do mạng thực hiện thông qua những quy định thống nhất gọi là giao thức của mạng.Khi các máy tính trao đổi dữ liệu với nhau thì một quá trình truyền giao dữ liệu

đã được thực hiện hoàn chỉnh Ví dụ như để thực hiện việc truyền một file giữa một máy tính với một máy tính khác cùng được gắn trên một mạng các công việc sau đây phải được thực hiện:

▪ Máy tính cần truyền cần biết địa chỉ của máy nhận

▪ Máy tính cần truyền phải xác định được máy tính nhận đã sẵn sàng nhận thông tin

▪ Chương trình gửi file trên máy truyền cần xác định được rằng chương trình nhận file trên máy nhận đã sẵn sàng tiếp nhận file

▪ Nếu cấu trúc file trên hai máy không giống nhau thì một máy phải làm nhiệm vụ chuyển đổi file từ dạng này sang dạng kia

▪ Khi truyền file máy tính truyền cần thông báo cho mạng biết địa chỉ của máy nhận để các thông tin được mạng đưa tới đích

Điều trên đó cho thấy giữa hai máy tính đã có một sự phối hợp hoạt động ở mức

độ cao Bây giờ thay vì chúng ta xét cả quá trình trên như là một quá trình chung thì chúng ta sẽ chia quá trình trên ra thành một số công đoạn và mỗi công đoạn con hoạt động một cách độc lập với nhau Ở đây chương trình truyền nhận file của mỗi máy tính được chia thành ba module là: Module truyền và nhận File, Module truyền thông

và Module tiếp cận mạng Hai module tương ứng sẽ thực hiện việc trao đổi với nhau trong đó:

▪ Module truyền và nhận file cần được thực hiện tất cả các nhiệm vụ trong

các ứng dụng truyền nhận file Ví dụ: truyền nhận thông số về file, truyền nhận các mẫu tin của file, thực hiện chuyển đổi file sang các dạng khác nhau nếu cần Module truyền và nhận file không cần thiết phải trực tiếp quan tâm tới việc truyền dữ liệu trên mạng như thế nào mà nhiệm vụ

đó được giao cho Module truyền thông

▪ Module truyền thông quan tâm tới việc các máy tính đang hoạt động và

saün sàng trao đổi thông tin với nhau Nó còn kiểm soát các dữ liệu sao cho những dữ liệu này có thể trao đổi một cách chính xác và an toàn giữa hai máy tính Điều đó có nghĩa là phải truyền file trên nguyên tắc đảm bảo an toàn cho dữ liệu, tuy nhiên ở đây có thể có một vài mức độ an toàn khác nhau được dành cho từng ứng dụng Ở đây việc trao đổi dữ liệu giữa hai máy tính không phụ thuộc vào bản chất của mạng đang liên kết chúng Những yêu cầu liên quan đến mạng đã được thực hiện ở module thứ ba là module tiếp cận mạng và nếu mạng thay đổi thì chỉ có module tiếp cận mạng bị ảnh hưởng

▪ Module tiếp cận mạng được xây dựng liên quan đến các quy cách giao

tiếp với mạng và phụ thuộc vào bản chất của mạng Nó đảm bảo việc truyền dữ liệu từ máy tính này đến máy tính khác trong mạng

Như vậy thay vì xét cả quá trình truyền file với nhiều yêu cầu khác nhau như một tiến trình phức tạp thì chúng ta có thể xét quá trình đó với nhiều tiến trình con phân biệt dựa trên việc trao đổi giữa các Module tương ứng trong chương trình truyền file Cách này cho phép chúng ta phân tích kỹ quá trình file và dễ dàng trong việc viết chương trình

Việc xét các module một cách độc lập với nhau như vậy cho phép giảm độ phức tạp cho việc thiết kế và cài đặt Phương pháp này được sử dụng rộng rãi trong việc xây dựng mạng và các chương trình truyền thông và được gọi là phương pháp phân tầng (layer)

Nguyên tắc của phương pháp phân tầng là:

• Mỗi hệ thống thành phần trong mạng được xây dựng như một cấu trúc nhiều tầng và đều có cấu trúc giống nhau như: số lượng tầng và chức năng của mỗi tầng

• Các tầng nằm chồng lên nhau, dữ liệu được chỉ trao đổi trực tiếp giữa hai tầng kề nhau từ tầng trên xuống tầng dưới và ngược lại

• Cùng với việc xác định chức năng của mỗi tầng chúng ta phải xác định mối quan hệ giữa hai tầng kề nhau Dữ liệu được truyền đi từ tầng cao nhất của hệ thống truyền lần lượt đến tầng thấp nhất sau đó truyền qua đường nối vật lý dưới dạng các bit tới tầng thấp nhất của hệ thống nhận, sau đó dữ liệu được truyền ngược lên lần lượt đến tầng cao nhất của hệ thống nhận

• Chỉ có hai tầng thấp nhất có liên kết vật lý với nhau còn các tầng trên cùng thứ tư chỉ có các liên kết logic với nhau Liên kết logic của một tầng được thực hiện thông qua các tầng dưới và phải tuân theo những quy định chặt chẽ, các quy định đó được gọi giao thức của tầng

1.2 Mô hình truyền thông đơn giản 3 tầng

Nói chung trong truyền thông có sự tham gia của các thành phần: các chương trình ứng dụng, các chương trình truyền thông, các máy tính và các mạng Các chương trình ứng dụng là các chương trình của người sử dụng được thực hiện trên máy tính và

có thể tham gia vào quá trình trao đổi thông tin giữa hai máy tính Trên một máy tính

Mô hình phân tầng gồm N tầng

nhiều ứng dụng trong đó có những ứng dụng liên quan đến mạng và các ứng dụng khác Các máy tính được nối với mạng và các dữ liệu được trao đổi thông qua mạng từ máy tính này đến máy tính khác

Việc gửi dữ liệu được thực hiện giữa một ứng dụng với một ứng dụng khác trên hai máy tính khác nhau thông qua mạng được thực hiện như sau: Ứng dụng gửi chuyển dữ liệu cho chương trình truyền thông trên máy tính của nó, chương trình truyền thông sẽ gửi chúng tới máy tính nhận Chương trình truyền thông trên máy nhận sẽ tiếp nhận dữ liệu, kiểm tra nó trước khi chuyển giao cho ứng dụng đang chờ dữ liệu

Với mô hình truyền thông đơn giản người ta chia chương trình truyền thông thành ba tầng không phụ thuộc vào nhau là: tầng ứng dụng, tầng chuyển vận và tầng tiếp cận mạng

Tầng tiếp cận mạng liên quan tới việc trao đổi dữ liệu giữa máy tính và mạng mà nó được nối vào Để dữ liệu đến được đích máy tính gửi cần phải chuyển địa chỉ của máy tính nhận cho mạng và qua đó mạng sẽ chuyển các thông tin tới đích Ngoài ra máy gửi có thể sử dụng một số phục vụ khác nhau mà mạng cung cấp như gửi ưu tiên, tốc

độ cao Trong tầng này có thể có nhiều phần mềm khác nhau được sử dụng phụ thuộc vào các loại của mạng ví dụ như mạng chuyển mạch, mạng chuyển mạch gói, mạng cục bộ

Tầng truyền dữ liệu thực hiện quá trình truyền thông không liên quan tới mạng và nằm ở trên tầng tiếp cận mạng Tầng truyền dữ liệu không quan tâm tới bản chất các ứng dụng đang trao đổi dữ liệu mà quan tâm tới làm sao cho các dữ liệu được trao đổi một cách an toàn Tầng truyền dữ liệu đảm bảo các dữ liệu đến được đích và đến theo đúng thứ tự mà chúng được xử lý Trong tầng truyền dữ liệu người ta phải có những

cơ chế nhằm đảm bảo sự chính xác đó và rõ ràng các cơ chế này không phụ thuộc vào bản chất của từng ứng dụng và chúng sẽ phục vụ cho tất cả các ứng dụng

Tầng ứng dụng sẽ chứa các module phục vụ cho tất cả những ứng dụng của người sử dụng Với các loại ứng dụng khác nhau (như là truyền file, truyền thư mục) cần các module khác nhau

Mô hình truyền thông 3 tầng

Trong một mạng với nhiều máy tính, mỗi máy tính một hay nhiều ứng dụng thực hiện đồng thời (Tại đây ta xét trên một máy tính trong một thời điểm có thể chạy nhiều ứng dụng và các ứng dụng đó có thể thực hiện đồng thời việc truyền dữ liệu qua mạng) Một ứng dụng khi cần truyền dữ liệu qua mạng cho một ứng dụng khác cần phải gọi 1 module tầng ứng dụng của chương trình truyền thông trên máy của mình, đồng thời ứng dụng kia cũng sẽ gọi 1 module tầng ứng dụng trên máy của nó Hai module ứng dụng sẽ liên kết với nhau nhằm thực hiện các yêu cầu của các chương trình ứng dụng

Các ứng dụng đó sẽ trao đổi với nhau thông qua mạng, tuy nhiên trong 1 thời điểm trên một máy có thể có nhiều ứng dụng cùng hoạt động và để việc truyền thông được chính xác thì các ứng dụng trên một máy cần phải có một địa chỉ riêng biệt Rõ ràng cần có hai lớp địa chỉ:

• Mỗi máy tính trên mạng cần có một địa chỉ mạng của mình, hai máy tính trong cùng một mạng không thể có cùng địa chỉ, điều đó cho phép mạng có thể truyền thông tin đến từng máy tính một cách chính xác

• Mỗi một ứng dụng trên một máy tính cần phải có địa chỉ phân biệt trong máy tính đo Nó cho phép tầng truyền dữ liệu giao dữ liệu cho đúng ứng dụng đang cần Địa chỉ đó được gọi là điểm tiếp cận giao dịch Điều đó cho thấy mỗi một ứng dụng sẽ tiếp cận các phục vụ của tầng truyền dữ liệu một cách độc lập

• Các module cùng một tầng trên hai máy tính khác nhau sẽ trao đổi với nhau một cách chặt chẽ theo các qui tắc xác định trước được gọi là giao thức Một giao thức được thể hiện một cách chi tiết bởi các chức năng cần phải thực hiện như các giá trị kiểm tra lỗi, việc định dạng các dữ liệu, các quy trình cần phải thực hiện để trao đổi thông tin.

Ví dụ mô hình truyền thông đơn giản

Chúng ta hãy xét trong ví dụ (như hình vẽ trên): giả sử có ứng dụng có điểm tiếp cận giao dịch 1 trên máy tính A muốn gửi thông tin cho một ứng dụng khác trên máy tính B có điểm tiếp cận giao dịch 2 Úng dụng trên máy tính A chuyển các thông tin xuống tầng truyền dữ liệu của A với yêu cầu gửi chúng cho điểm tiếp cận giao dịch

2 trên máy tính B Tầng truyền dữ liệu máy A sẽ chuyển các thông tin xuống tầng tiếp cận mạng máy A với yêu cầu chuyển chúng cho máy tính B (Chú ý rằng mạng không cần biết địa chỉ của điểm tiếp cận giao dịch mà chỉ cần biết địa chỉ của máy tính B)

Để thực hiện quá trình này, các thông tin kiểm soát cũng sẽ được truyền cùng với dữ liệu

Đầu tiên khi ứng dụng 1 trên máy A cần gửi một khối dữ liệu nó chuyển khối

đó cho tầng vận chuyển Tầng vận chuyển có thể chia khối đó ra thành nhiều khối nhỏ phụ thuộc vào yêu cầu của giao thức của tầng và đóng gói chúng thành các gói tin (packet) Mỗi một gói tin sẽ được bổ sung thêm các thông tin kiểm soát của giao thức

và được gọi là phần đầu (Header) của gói tin Thông thường phần đầu của gói tin cần có:

• Địa chỉ của điểm tiếp cận giao dịch nơi đến(Ở đây là 3): khi tầng vận chuyển của máy B nhận được gói tin thì nó biết được ứng dụng nào mà nó cần giao

• Số thứ tự của gói tin, khi tầng vận chuyển chia một khối dữ liệu ra thành nhiều gói tin thì nó cần phải đánh số thứ tự các gói tin đó Nếu chúng đi đến đích nếu sai thứ tự thì tầng vận chuyển của máy nhận có thể phát hiện và chỉnh lại thứ tự Ngoài ra nếu có lỗi trên đường truyền thì tầng vận chuyển của máy nhận sẽ phát hiện ra và yêu cầu gửi lại một cách chính xác

• Mã sửa lỗi: để đảm bảo các dữ liệu được nhận một cách chính xác thì trên cơ

sở các dữ liệu của gói tin tầng vận chuyển sẽ tính ra một giá trị theo một công thức có sãn và gửi nó đi trong phần đầu của gói tin Tầng vận chuyển nơi nhận thông qua giá trị đó xác định được gói tin đó có bị lỗi trên đường truyền hay không

Bước tiếp theo tầng vận chuyển máy A sẽ chuyển từng gói tin và địa chỉ của máy tính đích (ở đây là B) xuống tầng tiếp cận mạng với yêu cầu chuyển chúng đi Để thực hiện được yêu cầu này tầng tiếp cận mạng cũng tạo các gói tin của mình trước khi truyền qua mạng Tại đây giao thức của tầng tiếp cận mạng sẽ thêm các thông tin điều khiển vào phần đầu của gói tin mạng

Trong phần đầu gói tin mạng sẽ bao gồm địa chỉ của máy tính nhận, dựa trên địa chỉ này mạng truyền gói tin tới đích Ngoài ra có thể có những thông số như là mức

độ ưu tiên

Như vậy thông qua mô hình truyền thông đơn giản chúng ta cũng có thể thấy được phương thức hoạt động của các máy tính trên mạng, có thể xây dựng và thay đổi các giao thức trong cùng một tầng

1.3 Mô hình OSI

Việc nghiên cứu về OSI được bắt đầu tại ISO vào năm 1971 với các mục tiêu nhằm nối kết các sản phẩm của các hãng sản xuất khác Ưu điểm chính của OSI là ở chỗ nó hứa hẹn giải pháp cho vấn đề truyền thông giữa các máy tính không giống nhau Hai hệ thống, dù có khác nhau đều có thể truyền thông với nhau một các hiệu quả nếu chúng đảm bảo những điều kiện chung sau đây:

• Chúng cài đặt cùng một tập các chức năng truyền thông

• Các chức năng đó được tổ chức thành cùng một tập các tầng các tầng đồng mức phải cung cấp các chức năng như nhau

• Các tầng đồng mức khi trao đổi với nhau sử dụng chung một giao thức

Mô hình OSI tách các mặt khác nhau của một mạng máy tính thành bảy tầng theo mô hình phân tầng Mô hình OSI là một khung mà các tiêu chuẩn lập mạng khác nhau có thể khớp vào Mô hình OSI định rõ các mặt nào của hoạt động của mạng có thể nhằm đến bởi các tiêu chuẩn mạng khác nhau Vì vậy, theo một nghĩa nào đó, mô hình OSI là một loại tiêu chuẩn của các chuẩn

1.3.1 Nguyên tắc sử dụng khi định nghĩa các tầng hệ thống mở:

Sau đây là các nguyên tắc mà ISO quy định dùng trong quá trình xây dựng mô hình OSI

• Không định nghĩa quá nhiều tầng để việc xác định và ghép nối các tầng không quá phức tạp

• Tạo các ranh giới các tầng sao cho việc giải thích các phục vụ và số các tương tác qua lại hai tầng là nhỏ nhất.

• Tạo các tầng riêng biệt cho các chức năng khác biệt nhau hoàn toàn về kỹ thuật

sử dụng hoặc quá trình thực hiên

• Các chức năng giống nhau được đặt trong cùng một tầng

• Lựa chọn ranh giới các tầng tại các điểm mà những thử nghiệm trong quá khứ thành công

• Các chức năng được xác định sao cho chúng có thể dễ dàng xác định lại, và các nghi thức của chúng có thể thay đổi trên mọi hướng

• Tạo ranh giới các tầng mà ở đó cần có những mức độ trừu tượng khác nhau trong việc sử dụng số liệu

• Cho phép thay đổi các chức năng hoặc giao thức trong tầng không ảnh hưởng đến các tầng khác

• Tạo các ranh giới giữa mỗi tầng với tầng trên và dưới nó

1.3.2 Các giao thức trong mô hình OSI

Trong mô hình OSI có hai loại giao thức chính được áp dụng: giao thức có liên kết (connection - oriented) và giao thức không liên kết (connectionless)

• Giao thức có liên kết: trước khi truyền dữ liệu hai tầng đồng mức cần thiết lập một liên kết logic và các gói tin được trao đổi thông qua liên kết náy, việc có liên kết logic sẽ nâng cao độ an toàn trong truyền dữ liệu

• Giao thức không liên kết: trước khi truyền dữ liệu không thiết lập liên kết logic

và mỗi gói tin được truyền độc lập với các gói tin trước hoặc sau nó

Như vậy với giao thức có liên kết, quá trình truyền thông phải gồm 3 giai đoạn phân biệt:

• Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể 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: dữ 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 độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu.

• Hủy bỏ liên kết (logic): giải phóng tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết để dùng cho liên kết khác

Đối với giao thức không liên kết thì chỉ có duy nhất một giai đoạn truyền dữ liệu mà thôi

Gói tin của giao thức: Gói tin (Packet) được hiểu như là một đơn vị thông tin dùng trong việc liên lạc, chuyển giao dữ liệu trong mạng máy tính Những thông điệp (message) trao đổi giữa các máy tính trong mạng, được tạo dạng thành các gói tin ở máy nguồn Và những gói tin này khi đích sẽ được kết hợp lại thành thông điệp ban đầu Một gói tin có thể chứa đựng các yêu cầu phục vụ, các thông tin điều khiển và dữ liệu

Trên quan điểm mô hình mạng phân tầng tầng mỗi tầng chỉ thực hiện một chức năng là nhận dữ liệu từ tầng bên trên để chuyển giao xuống cho tầng bên dưới và ngược lại Chức năng này thực chất là gắn thêm và gỡ bỏ phần đầu (header) đối với các gói tin trước khi chuyển nó đi Nói cách khác, từng 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 của tầng mới, công việc trên tiếp diễn cho tới khi gói tin được truyền lên đường dây mạng để đến bên nhận

Tại bên nhận các gói tin được gỡ bỏ phần đầu trên từng tầng tướng ứng và đây cũng là nguyên lý của bất cứ mô hình phân tầng nào

Phương thức xác lập các gói tin trong mô hình OSI

Chú ý: Trong mô hình OSI phần kiểm lỗi của gói tin tầng liên kết dữ liệu đặt ở cuối gói tin

1.3.3 Các chức năng chủ yếu của các tầng của mô hình OSI.

1.3.3.1 Tầng 1: Vật lý (Physical)

Tầng vật lý (Physical layer) là tầng dưới cùng của mô hình OSI là Nó mô tả các đặc trưng vật lý của mạng: Các loại cáp được dùng để nối các thiết bị, các loại đầu nối được dùng , các dây cáp có thể dài bao nhiêu v.v Mặt khác các tầng vật lý cung cấp các đặc trưng điện của các tín hiệu được dùng để khi chuyển dữ liệu trên cáp từ một máy này đến một máy khác của mạng, kỹ thuật nối mạch điện, tốc độ cáp truyền dẫn

Tầng vật lý không qui định một ý nghĩa nào cho các tín hiệu đó ngoài các giá trị nhị phân 0 và 1 Ở các tầng cao hơn của mô hình OSI ý nghĩa của các bit được truyền

bộ, phi đồng bộ), tốc độ truyền

Các giao thức được xây dựng cho tầng vật lý được phân chia thành phân chia thành hai loại giao thức sử 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 gửi tín hiệu máy gửi sử dụng các bit đặc biệt START và STOP được dùng để 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 đồng bộ: sử dụng phương thức truyền cần có đồng bộ giữa máy gửi và máy nhận, nó chèn các ký tự đặc biệt như SYN (Synchronization),

EOT (End Of Transmission) hay đơn giản hơn, một cái "cờ " (flag) giữa các dữ liệu của máy gửi để báo hiệu cho máy nhận biết được dữ liệu đang đến hoặc đã đến.

1.3.3.2 Tầng 2: Liên kết dữ liệu (Data link)

Tầng liên kết dữ liệu (data link layer) là tầng mà ở đó ý nghĩa được gán cho các bít được truyền trên mạng Tầng liên kết dữ liệu phải quy định được các dạng thức, kích thước, địa chỉ máy gửi và nhận của mỗi gói tin được gửi đi Nó phải xác định cơ chế truy nhập thông tin trên mạng và phương tiện gửi mỗi gói tin sao cho nó được đưa đến cho người nhận đã định

Tầng liên kết dữ liệu có hai phương thức liên kết dựa trên cách kết nối các máy tính, đó là phương thức "một điểm - một điểm" và phương thức "một điểm - nhiều điểm" Với phương thức "một điểm - một điểm" các đường truyền riêng biệt được thiết lâp để nối các cặp máy tính lại với nhau Phương thức "một điểm - nhiều điểm " tất cả các máy phân chia chung một đường truyền vật lý

Tầng liên kết dữ liệu cũng cung cấp cách phát hiện và sửa lỗi cơ bản để đảm bảo cho dữ liệu nhận được giống hoàn toàn với dữ liệu gửi đi Nếu một gói tin có lỗi không sửa được, tầng liên kết dữ liệu phải chỉ ra được cách thông báo cho nơi gửi biết gói tin đó có lỗi để nó gửi lại

Các giao thức tầng liên kết dữ liệu chia làm 2 loại chính là các giao thức hướng

ký tư và các giao thức hướng bit Các giao thức hướng ký tự được xây dựng dựa trên các ký tự đặc biệt của một bộ mã chuẩn nào đó (như ASCII hay EBCDIC), trong khi

đó các giao thức hướng bit lại dùng các cấu trúc nhị phân (xâu bit) để xây dựng các phần tử của giao thức (đơn vị dữ liệu, các thủ tục.) và khi nhận, dữ liệu sẽ được tiếp nhận lần lượt từng bit một

1.3.3.3 Tầng 3: Mạng (Network)

Tầng mạng (network layer) nhắm đến việc kết nối các mạng với nhau bằng cách tìm đường (routing) cho các gói tin từ một mạng này đến một mạng khác Nó xác định việc chuyển hướng, vạch đường các gói tin trong mạng, các gói này có thể phải đi qua nhiều chặng trước khi đến được đích cuối cùng Nó luôn tìm các tuyến truyền thông không tắc nghẽn để đưa các gói tin đến đích

Tầng mạng cung các các phương tiện để truyền các gói tin qua mạng, thậm chí qua một mạng của mạng (network of network) Bởi vậy nó cần phải đáp ứng với nhiều kiểu mạng và nhiều kiểu dịch vụ cung cấp bởi các mạng khác nhau hai chức năng chủ yếu của tầng mạng là chọn đường (routing) và chuyển tiếp (relaying) Tầng mạng là quan trọng nhất khi liên kết hai loại mạng khác nhau như mạng Ethernet với mạng Token Ring khi đó phải dùng một bộ tìm đường (quy định bởi tầng mạng) để chuyển các gói tin từ mạng này sang mạng khác và ngược lại

Đối với một mạng chuyển mạch gói (packet - switched network) - gồm tập hợp các nút chuyển mạch gói nối với nhau bởi các liên kết dữ liệu Các gói dữ liệu được truyền từ một hệ thống mở tới một hệ thống mở khác trên mạng phải được chuyển qua một chuỗi các nút Mỗi nút 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 nút trung gian nó phải thực hiện các chức năng chọn đường và chuyển tiếp

Việc chọn đường là sự lựa chọn một con đường để truyền một đơn vị dữ liệu (một gói tin chẳng hạn) từ trạm nguồn tới trạm đích của nó Một 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, tức là thông tin dùng cho việc chọn đường, trên mạng luôn có sự thay đổi thường xuyên nên việc cập nhật là việc cần thiết

Mô hình chuyển vận các gói tin trong mạng chuyễn mạch gói

Người ta có hai phương thức đáp ứng cho việc chọn đường là phương thức xử

lý tập trung và xử lý tại chỗ

• Phương thức chọn đường xử lý tập trung được đặc trưng bởi sự tồn tại của một (hoặc vài) trung tâm điều khiển mạng, chúng thực hiện việc lập ra các bảng đường đi tại từng thời điểm cho các nút và sau đó gửi các bảng chọn đường tới từng nút dọc theo con đường đã được chọn đó Thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường chỉ cần cập nhập và được cất giữ tại trung tâm điều khiển mạng

• Phương thức chọn đường xử lý tại chỗ được đặc trưng bởi việc chọn đường được thực hiện tại mỗi nút của mạng Trong từng thời điểm, mỗi nút phải duy trì các thông tin của mạng và tự xây dựng bảng chọn đường cho mình Như vậy các thông tin tổng thể của mạng cần dùng cho việc chọn đường cần cập nhập và được cất giữ tại mỗi nút

Thông thường các thông tin được đo lường và 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

• Các tài nguyên khả dụng của mạng

Khi có sự thay đổi trên mạng (ví dụ thay đổi về cấu trúc của mạng do sự cố tại một vài nút, phục hồi của một nút mạng, nối thêm một nút mới hoặc thay đổi về mức

độ lưu thông) các thông tin trên cần được cập nhật vào các cơ sở dữ liệu về trạng thái của mạng

Hiện nay khi nhu cầu truyền thông đa phương tiện (tích hợp dữ liệu văn bản, đồ hoạ, hình ảnh, âm thanh) ngày càng phát triển đòi hỏi các công nghệ truyền dẫn tốc độ cao nên việc phát triển các hệ thống chọn đường tốc độ cao đang rất được quan tâm

1.3.3.4 Tầng 4: Vận chuyển (Transport)

Tầng vận chuyển cung cấp các chức năng cần thiết giữa tầng mạng và các tầng trên nó là tầng cao nhất có liên quan đến các giao thức trao đổi dữ liệu giữa các hệ thống mở Nó cùng các tầng dưới cung cấp cho người sử dụng các phục vụ vận

chuyển

Tầng vận chuyển (transport layer) là tầng cơ sở mà ở đó một máy tính của mạng chia sẻ thông tin với một máy khác Tầng vận chuyển đồng nhất mỗi trạm bằng một địa chỉ duy nhất và quản lý sự kết nối giữa các trạm Tầng vận chuyển cũng chia các gói tin lớn thành các gói tin nhỏ hơn trước khi gửi đi Thông thường tầng vận chuyển đánh số các gói tin và đảm bảo chúng chuyển theo đúng thứ tự

Tầng vận chuyển là tầng cuối cùng chịu trách nhiệm về mức độ an toàn trong truyền dữ liệu nên giao thức tầng vận chuyển phụ thuộc rất nhiều vào bản chất của tầng mạng

1.3.3.5 T ầng 5: Giao dịch (Session)

Tầng giao dịch (session layer) thiết lập "các giao dịch" giữa các trạm trên mạng,

nó đặt tên nhất quán cho mọi thành phần muốn đối thoại với nhau và lập ánh xa giữa các tên với địa chỉ của chúng Một giao dịch phải được thiết lập trước khi dữ liệu được truyền trên mạng, tầng giao dịch đảm bảo cho các giao dịch được thiết lập và duy trì theo đúng qui định

Tầng giao dịch còn cung cấp cho người sử dụng các chức năng cần thiết để quản trị các giao dịnh ứng dụng của họ, cụ thể là:

• Điều phối việc trao đổi dữ liệu giữa các ứng dụng bằng cách thiết lập và giải phóng (một cách lôgic) các phiên (hay còn gọi là các hội thoại – dialogues)

• Cung cấp các điểm đồng bộ để kiểm soát việc trao đổi dữ liệu

• Áp đặt các qui tắc cho các tương tác giữa các ứng dụng của người sử dụng

• Cung cấp cơ chế "lấy lượt" (nắm quyền) trong quá trình trao đổi dữ liệu

Trong trường hợp mạng là hai chiều luân phiên thì nẩy sinh vấn đề: hai người

sử dụng luân phiên phải "lấy lượt" để truyền dữ liệu Tầng giao dịch duy trì tương tác luân phiên bằng cách báo cho mỗi người sử dụng khi đến lượt họ được truyền dữ liệu Vấn đề đồng bộ hóa trong tầng giao dịch cũng được thực hiện như cơ chế kiểm tra phục hồi, dịch vụ này cho phép người sử dụng xác định các điểm đồng bộ hóa trong dòng dữ liệu đang chuyển vận và khi cần thiết có thể khôi phục việc hội thoại bắt đầu

từ một trong các điểm đó

Ở một thời điểm chỉ có một người sử dụng đó quyền đặc biệt được gọi các dịch

vụ nhất định của tầng giao dịch, việc phân bổ các quyền này thông qua trao đổi thẻ bài (token) Ví dụ: Ai có được token sẽ có quyền truyền dữ liệu, và khi người giữ token trao token cho người khác thi cũng có nghĩa trao quyền truyền dữ liệu cho người đó

1.3.3.6 Tầng 6: Trình bày (Presentation)

Trong giao tiếp giữa các ứng dụng thông qua mạng với cùng một dữ liệu có thể

có nhiều cách biểu diễn khác nhau Thông thường dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng nguồn và dạng biểu diễn dùng bởi ứng dụng đích có thể khác nhau do các ứng dụng được chạy trên các hệ thống hoàn toàn khác nhau (như hệ máy Intel và hệ máy

Motorola) Tầng trình bày (Presentation layer) phải chịu trách nhiệm chuyển đổi dữ liệu gửi đi trên mạng từ một loại biểu diễn này sang một loại khác Để đạt được điều

đó nó cung cấp một dạng biểu diễn chung dùng để truyền thông và cho phép chuyển đổi từ dạng biểu diễn cục bộ sang biểu diễn chung và ngược lại

Tầng trình bày cũng có thể được dùng kĩ thuật mã hóa để xáo trộn các dữ liệu trước khi được truyền đi và giải mã ở đầu đến để bảo mật Ngoài ra tầng biểu diễn cũng có thể dùng các kĩ thuật nén sao cho chỉ cần một ít byte dữ liệu để thể hiện thông

tin khi nó được truyền ở trên mạng, ở đầu nhận, tầng trình bày bung trở lại để được dữ liệu ban đầu.

1.3.3.7 Tầng 7: Ứng dụng (Application)

Tầng ứng dụng (Application layer) là tầng cao nhất của mô hình OSI, nó xác định giao diện giữa người sử dụng và môi trường OSI và giải quyết các kỹ thuật mà các chương trình ứng dụng dùng để giao tiếp với mạng

Để cung cấp phương tiện truy nhập môi trường OSI cho các tiến trình ứng dụng, Người ta thiết lập các thực thể ứng dụng (AE), các thực thể ứng dụng sẽ gọi đến các phần tử dịch vụ ứng dụng (Application Service Element - viết tắt là ASE) của chúng 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 của thực thể ứng dụng thông qua các liên kết (association) gọi là đối tượng liên kết đơn (Single

Association Object - viết tắt là SAO) SAO điều khiển việc truyền thông trong suốt vòng đời của liên kết đó cho phép tuần tự hóa các sự kiện đến từ các ASE thành tố của nó

Chương 2 Bộ giao thức TCP/IP

2.1 Giới thiệu về TCP/IP

Là họ các giao thức cùng làm việc với nhau để cung cấp phương tiện truyền thông liên mạng Vì lịch sử của TCP/IP gắn liền với Bộ quốc phòng Mỹ, nên việc phân lớp giao thức TCP/IP được gọi là mô hình DOD ( Department of Defense ) Đây là họ các giao thức được sử dụng phổ biến trên mạng Internet, mang tính mở nhất , phổ dụng nhất và được hỗ trợ của nhiều hãng kinh doanh TCP/IP được cài đặt sẵn trong phần thực thi UNIX BSD (Berkely Standard Distribution) Mô hình DOD gồm 4 tầng:

• Network Interface Layer : tương ứng Physical Layer & Data Link Layer trong OSI

• Internet Layer: Định tuyến gói dữ liệu giữa các máy chủ

• Transport Layer: Kết nối các thành phần mạng

• Application Layer: Hỗ trợ các ứng dụng

2.2 Vai trò và chức năng các tầng trong mô hình TCP/IP

2.2.2 Tầng vận chuyển (Transport Layer):

Ứng với tầng vận chuyển (Transport Layer) trong mô hình OSI, tầng Host to Host thực hiện những kết nối giữa hai máy chủ trên mạng bằng 2 giao thức: giao thức điều khiển trao đổi dữ liệu TCP (Transmission Control Protocol) và giao thức dữ liệu người sử dụng UDP (User Datagram Protocol).Giao thức TCP là giao thức kết nối hướng liên kết (Connection - Oriented) chịu trách nhiệm đảm bảo tính chính xác và độ tin cậy cao trong việc trao đổi dữ liệu giữa các thành phần của mạng, tính đồng thời và kết nối song công (Full Duplex) Khái niệm tin độ cậy cao nghĩa là TCP kiểm soát lỗi bằng cách truyền lại các gói tin

bị lỗi Giao thức TCP cũng hỗ trợ những kết nối đồng thời Nhiều kết nối TCP có thể được thiết lập tại một máy chủ và dữ liệu có thể được truyền đi một cách đồng thời và độc lập với nhau trên các kết nối khác nhau TCP cung cấp kết nối song công (Full Duplex), dữ liệu có thể được trao đổi trên một kết nối đơn theo 2 chiều Giao thức UDP được sử dụng cho những ứng dụng không đòi hỏi độ tin cậy cao

là giao thức IP kết nối không liên kết (Connectionless), là hạt nhân hoạt động của Internet Cùng với các giao thức định tuyến RIP, OSPF, BGP, tầng tầng mạng IP cho phép kết nối một cách mềm dẻo và linh hoạt các loại mạng "vật lý" khác nhau như: Ethernet, Token Ring, X.25 Ngoài ra tầng này còn hỗ trợ các ánh xạ giữa địa chỉ vật lý (MAC) do tầng Network Access Layer cung cấp với địa chỉ logic bằng các giao thức phân giải địa chỉ ARP (Address Resolution Protocol) và phân giải địa chỉ đảo RARP (Reverse Address Resolution Protocol) Các vấn đề có liên quan đến chuẩn đoán lỗi và các tình huống bất thường liên quan đến IP được giao thức ICMP (Internet Control Message Protocol) thống kê và báo cáo Tầng trên sử dụng các dịch vụ do tầng Liên mạng cung cấp.

2.2.4 Tầng giao diện mạng (Network Interface Layer):

Tương ứng với tầng Vật lý và Liên kết dữ liệu trong mô hình OSI, tầng truy nhập mạng cung cấp các phương tiện kết nối vật lý cáp, bộ chuyển đổi (Transceiver), Card mạng, giao thức kết nối, giao thức truy nhập đường truyền như CSMA/CD, Tolen Ring, Token Bus ) Cung cấp các dịch vụ cho tầng Internet phân đoạn dữ liệu thành các khung

2.3 Quá trình truyền thông

2.3.1 Quá trình đóng gói dữ liệu Encapsulation

Cũng như mô hình OSI, trong mô hình kiến trúc TCP/IP mỗi tầng có một cấu trúc dữ liệu riêng, độc lập với cấu trúc dữ liệu được dùng ở tầng trên hay tầng dưới kề

nó Khi dữ liệu được truyền từ tầng ứng dụng cho đến tầng vật lý, qua mỗi tầng được thêm phần thông tin điều khiển (Header) đặt trước phần dữ liệu được truyền, đảm bảo

Mô hình OSI và mô hình kiến trúc của TCP/IP

cho việc truyền dữ liệu chính xác Việc thêm Header vào đầu các gói tin khi đi qua mỗi tầng trong quá trình truyền dữ liệu được gọi là Encapsulation Quá trình nhận dữ liệu sẽ diễn ra theo chiều ngược lại, khi qua mỗi tầng, các gói tin sẽ tách thông tin điều khiển thuộc nó trước khi chuyển dữ liệu lên tầng trên.

• Process/Application Layer: Message (Thông điệp )

• Host - To- Host Layer: Segment/ Datagram (Đoạn/Bó dữ liệu)

• Internet Layer: Packet (Gói dữ liệu)

2.3.2 Quá trình phân mảnh dữ liệu Fragment

Dữ liệu có thể được truyền qua nhiều mạng khác nhau, kích thước cho phép cũng khác nhau Kích thước lớn nhất của gói dữ liệu trong mạng gọi là đơn vị truyền cực đại MTU (Maximum Transmission Unit) Trong quá trình đóng gói Encapsulation, nếu kích thước của một gói lớn hơn kích thước cho phép, tự động chia thành nhiều gói nhỏ và thêm thông tin điều khiển vào mỗi gói Nếu một mạng nhận dữ liệu từ một mạng khác, kích thước gói dữ liệu lớn hơn MTU của nó, dữ liệu sẽ được phân mảnh ra

Đóng gói dữ liệu khi chuyển xuống tầng kề dưới

thành gói nhỏ hơn để chuyển tiếp Quá trình này gọi là quá trình phân mảnh dữ liệu Fragment.

Quá trình phân mảnh làm tăng thời gian xử lý, làm giảm tính năng của mạng và ảnh hưởng đến tốc độ trao đổi dữ liệu trong mạng Hậu quả của nó là các gói bị phân mảnh sẽ đến đích chậm hơn so với các gói không bị phân mảnh Mặt khác, vì IP là một giao thức không liên kết, độ tin cậy không cao, khi một gói dữ liệu bị phân mảnh bị mất thì tất cả các mảnh sẽ phải truyền lại Vì vậy phần lớn các ứng dụng tránh không

sử dụng kỹ thuật phân mảnh và gửi các gói dữ liệu lớn nhất mà không bị phân mảnh, giá trị này là Path MTU

2.4 Các kiểu truyền dữ liệu

2.4.1 Unicast

Đây là một khái niệm chỉ sự trao đổi thông tin trong đó thông tin được gửi từ một điểm này đến một điểm khác Có nghĩa là chỉ có một người gửi và một người nhận

Cho đến nay thì việc truyền thông tin theo cơ chế chỉ một nguồn và một đích này vẫn chiếm ưu thế trong mạng LAN (ví dụ : Ethernet ) và trong các mạng IP hỗ trợ chế độ Unicast Người dùng mạng cũng khá quen thuộc với các ứng dụng sử dụng chế

độ Unicast, như: http, smtp, telnet, ftp Và các ứng dụng này có sử dụng giao thức TCP, đây là một giao thức truyền tin tin cậy

2.4.2 Broadcast

Broadcast là khái niệm chỉ chế độ trao đổi thông tin trong đó thông tin được gửi

từ một điểm này tới tất cả các điểm khác, có nghĩa là từ một nguồn tới tất cả các đích

có kết nối trực tiếp với nó

Broadcast cũng được dùng trong mạng LAN, nó được dùng khi muốn gửi cùng một bản tin tới tất cả các máy tính khác trong mạng LAN (Ví dụ trong thuật toán ARP : Address Resolution Protocol ) Các giao thức lớp mạng (Lớp 3 trong mô hình OSI) cũng có sử dụng một dạng của Broadcast để truyền cùng một bản tin tới tất cả các máy tính trong một mạng logic

Ví dụ đối với giao thức lớp 3 là IP: 192.168.10.255/24 là một địa chỉ Broadcast tới mạng 192.168.10.0/24

2.4.3 Multicast

Còn Multicast lại dùng để chỉ chế độ trao đổi thông tin trong đó thông tin được gửi từ một điểm tới một tập các điểm khác còn lại, tức là một nguồn và nhiều đích (Nhiều không có nghĩa là tất cả ! ) Một số giao thức lớp 3, ví dụ như giao thức OSPF cũng dùng Multicast ( với địa chỉ 224.0.0.5 )để truyền đi thông tin cập nhật định tuyến đến DR và BDR

Chương 3 Các công nghệ tầng giao diện mạng

3.1 Ethernet

3.1.1 Tổng quan

Khởi thủy, một phân đoạn mạng của Ethernet (Ethernet segment) được cài đặt trên một sợi cable đồng trục dài tối đa 500 m Các trạm nối vào Ethernet segment bằng cách “mắc dây” (tab) nối vào nó Các điểm đấu nối phải cách nhau ít nhất 2,5 m Transceiver, một thiết bị nhỏ được gắn trực tiếp vào điểm đấu nối, làm nhiệm vụ nghe ngóng khi đường truyền rỗi để đưa tín hiệu ra đó khi trạm phát tín hiệu Transceiver cũng làm nhiệm vụ nhận tín hiệu đến Đến lượt transceiver lại được nối đến card mạng Ethernet, được gắn trong máy trạm Tất cả những chi tiết luận lý làm nên giao thức Ethernet được cài đặt trong card mạng này

Các segment có thể được nối với nhau bởi các repeater Một repeater là một thiết bị dùng để chuyển tiếp tín hiệu số Tuy nhiên, không được có hơn 4 repeater được đặt giữa hai trạm, có nghĩa là một mạng Ethernet nguyên thủy chỉ kéo dài tối đa là

2500 m

Bức phác họa Ethernet của Bob Metcalfe, người sáng lập ra Ethernet

(Xerox PARC - 1972) Và mô tả chi tiết transceiver + adaptor

Bất kỳ tín hiệu nào được phát ra Ethernet sẽ được truyền quảng bá ra toàn mạng, repeater có nhiệm vụ chuyển tín hiệu từ trong segment ra ngoài, và nhận tín hiệu từ ngoài phát quảng bá vào trong segment.

3.1.2 Khuôn dạng khung thông tin của Ethernet

Bên gởi sẽ bao gói gói tin IP thành khung Ethernet như sau:

• Preamble: dài 7 bytes với mẫu 10101010 theo sau bởi 1 byte với mẫu

10101011, được sử dụng để đồng bộ hóa tốc độ đồng hồ giữa bên gởi và bên nhận

• Source and dest addresses: Địa chỉ nguồn và đích, gồm 6 bytes Khung được nhận bởi tất cả các trạm trong LAN Khung bị xóa nếu dest address không trùng với địa chỉ MAC của bất kỳ trạm nào hoặc không phải thuộc dạng

8:0:2b:e4:b1:2 là cách biểu diễn dễ đọc của địa chỉ Ethernet sau

00001000 00000000 00101011 11100100 10110001 00000010

Để đảm bảo rằng mọi card mạng được gán một địa chỉ duy nhất, mỗi nhà sản xuất thiết bị Ethernet được cấp cho một phần đầu địa chỉ (prefix) khác nhau Ví dụ Advanced Micro Devices đã được cấp phần đầu dài 24 bit x08002 (hay 8:0:2) Nhà sản xuất này sau đó phải đảm bảo phần đuôi (suffix) của các địa chỉ mà họ sản xuất ra là duy nhất.

Mỗi khung được phát ra Ethernet sẽ được nhận bởi tất cả các card mạng có nối với đường truyền Mỗi card mạng sẽ so sánh địa chỉ đích trong khung với địa chỉ của

nó, và chỉ cho vào máy tính những khung nào trùng địa chỉ Địa chỉ duy nhất như vậy gọi là địa chỉ unicast Ngoài ra còn có loại địa chỉ broadcast là loại địa chỉ quảng bá,

có tất cả các bit đều mang giá trị 1 Mọi card mạng đều cho phép các khung thông tin

có địa chỉ đích là broadcast đi đến host của nó Cũng có một loại địa chỉ khác gọi là multicast, trong đó chỉ một vài bit đầu được đặt là 1 Một host có thể lập trình điều khiển card mạng của nó chấp nhận một số lớp địa chỉ multicast Địa chỉ multicast được dùng để gởi thông điệp đến một tập con (subset) các host trong mạng Ethernet

3.1.4 Cách thức mã hóa tín hiệu

Để chuyển đổi dữ liệu bit sang tín hiệu truyền trên đường truyền, Ethernet dùng kiểu mã hóa Manchester Trong sơ đồ mã hóa Manchester, một bit sẽ được mã hóa bằng một sự thay đổi điện thế Với bit “1”, điện thế đổi từ 1 xuống 0 Còn với bit “0”, điện thế đổi từ 0 lên 1

3.2 Token Ring

Giao thức này sử dụng mạng kiểu hình vòng, dùng thẻ bài để cấp quyền sử dụng đường truyền Mạng token ring bao gồm một tập hợp các trạm được nối với nhau thành một vòng

Dữ liệu luôn chạy theo một hướng vòng quanh vòng Mỗi trạm nhận khung

từ trạm phía trên của nó và rồi chuyển khung đến trạm phía dưới Thẻ bài là công

cụ để quyết định ai có quyền truyền tại một thời điểm

Cách thức hoạt động của mạng token ring như sau: một thẻ bài, thực chất chỉ là một dãy bit, sẽ chạy vòng quanh vòng; mỗi nút sẽ nhận thẻ bài rồi lại chuyển tiếp thẻ bài này đi Khi một trạm có khung cần truyền và đúng lúc nó thấy có thẻ bài tới, nó liền lấy thẻ bài này ra khỏi vòng (nghĩa là không có chuyển tiếp chuỗi bit đặc biệt này lên vòng nữa), và thay vào đó, nó sẽ truyền khung dữ liệu của mình đi Khi khung dữ liệu đi một vòng và quay lại, trạm phát sẽ rút khung của mình ra và chèn lại thẻ bài vào vòng Hoạt động cứ xoay vòng như thế

Card mạng dùng cho token ring sẽ có trên đó một bộ nhận, một bộ phát và một

bộ đệm dùng chứa dữ liệu Khi không có trạm nào trong vòng có dữ liệu để truyền, thẻ bài sẽ lưu chuyển vòng quanh Nếu một trạm có dữ liệu cần truyền và có thẻ bài, nó có quyền truyền một hoặc nhiều khung dữ liệu tùy theo qui định của hệ thống

Mỗi khung dữ liệu được phát đi sẽ có một phần thông tin chứa địa chỉ đích của trạm bên nhận; ngoài ra nó còn có thể chứa địa chỉ muticast hoặc broadcast tùy theo việc bên gởi muốn gởi khung cho một nhóm người nhận hay tất cả mọi người trong vòng Khi khung thông tin chạy qua mỗi trạm trong vòng, trạm này sẽ nhìn vào địa chỉ

đích trong khung đó để biết xem có phải nó là đích đến của khung không Nếu phải, trạm sẽ chép nội dung của khung vào trong bộ đệm của nó, chỉ chép thôi chứ không được xóa khung ra khỏi vòng.

Một vấn đề cần phải quan tâm đến là một trạm đang giữ thẻ bài thì nó có quyền truyền bao nhiêu dữ liệu, hay nói cách khác là trạm được cho bao nhiêu thời gian để truyền dữ liệu? Chúng ta gọi thời gian này là thời gian giữ thẻ bài – THT (Token Holding Time) Trong trường hợp trong vòng chỉ có một trạm cần truyền dữ liệu và các trạm khác không có nhu cầu truyền, thì ta có thể cấp THT cho trạm có nhu cầu càng lâu càng tốt Điều này sẽ làm tăng hiệu suất sử dụng hệ thống một cách đáng kể Bởi vì sẽ thật là ngớ ngẩn nếu bắt trạm ngừng, chờ thẻ bài chạy hết một vòng, rồi lại truyền tiếp Tuy nhiên, giải pháp trên sẽ không hoạt động tốt nếu có nhiều trạm trong vòng cần gởi dữ liệu THT dài chỉ thích hợp cho những trạm cần truyền nhiều dữ liệu, nhưng lại không phù hợp với những trạm chỉ có ít thông điệp cần gởi đi ngay cả khi thông điệp này là tối quan trọng Điều này cũng giống như tình huống mà bạn xếp hàng để sử dụng máy ATM ngay sau một anh chàng định rút ra 10 triệu đồng, trong khi bạn chỉ cần vào đấy để kiểm tra tài khoản của mình còn bao nhiêu tiền! Trong các mạng 802.5, THT mặc định là 10 ms

Từ thời gian giữ thẻ bài, chúng ta lại nghĩ ra một số đo quan trọng khác: Thời gian xoay vòng của thẻ bài – TRT (Token rotation time), nghĩa là lượng thời gian bỏ ra

để thẻ bài đi hết đúng một vòng Dễ nhận thấy rằng:

TRT ≤ Số nút hoạt động × THT + Độ trễ của vòng

Với “Độ trễ của vòng” là tổng thời gian để thẻ bài đi hết một vòng khi trong vòng không có trạm nào cần truyền dữ liệu, “Số nút hoạt động” ám chỉ số trạm có dữ liệu cần truyền

Giao thức 802.5 cung cấp một phương thức truyền dữ liệu tin cậy bằng cách sử dụng hai bit A và C ở đuôi của khung dữ liệu Hai bit bày ban đầu nhận giá trị 0 Khi một trạm nhận ra nó là đích đến của một khung dữ liệu, nó sẽ đặt bit A trong khung này lên Khi trạm chép khung vào trong bộ nhớ đệm của nó, nó sẽ đặt bit C lên Khi trạm gởi thấy khung của nó quay lại với bit A vẫn là 0, nó biết là trạm đích bị hư hỏng hoặc không có mặt Nếu bit A là 1, nhưng bit C là 0, điều này ám chỉ trạm đích có mặt nhưng vì lý do nào đó trạm đích không thể nhận khung (ví dụ như thiếu bộ đệm chẳng

hạn) Vì thế khung này có thể sẽ được truyền lại sau đó với hy vọng là trạm đích có thể tiếp nhận nó.

Chi tiết cuối cùng cần phải xem xét là: chính xác khi nào thì trạm sẽ nhả thẻ bài ra? Có hai đề nghị: a) nhả thẻ bài ra ngay sau khi trạm vừa truyền khung xong (RAT); b) nhả thẻ bài ra ngay sau khi trạm nhận lại khung vừa phát ra (RAR)

Quản lý hoạt động của mạng Token Ring

Cần thiết phải đề cử ra một trạm làm nhiệm vụ quản lý mạng token ring gọi là monitor Công việc của monitor là đảm bảo sức khỏe cho toàn bộ vòng Bất kỳ trạm nào cũng có thể trở thành monitor Thủ tục bầu chọn monitor diễn ra khi vòng vừa được tạo ra hoặc khi monitor của vòng bị sự cố Một monitor mạnh khỏe sẽ định kỳ thông báo sự hiện diện của nó cho toàn vòng biết bằng một thông điệp đặc biệt Nếu một trạm không nhận được thông báo hiện diện của monitor trong một khoảng thời gian nào đó, nó sẽ coi như monitor bị hỏng và sẽ cố trở thành monitor mới

Khi một trạm quyết định rằng cần phải có một monitor mới, nó sẽ gởi một thông điệp thỉnh cầu, thông báo ý định trở thành monitor của mình Nếu thông điệp này chạy một vòng và về lại được trạm, trạm sẽ cho rằng mọi người đồng ý vị trí monitor của nó Còn nếu đồng thời có nhiều trạm cùng gởi thông điệp thỉnh cầu, chúng

sẽ phải áp dụng một luật lựa chọn nào đó, chẳng hạn như “ai có địa chỉ cao nhất sẽ thắng cử”

Nhiệm vụ đáng chú ý của monitor là phải đảm bảo rằng luôn luôn có sự hiện diện của thẻ bài ở đâu đó trên vòng, có thể là đang di chuyển hay đang bị giữ bởi một trạm nào

đó Rõ ràng là thẻ bài có thể bị biến mất vì lý do nào đó chẳng hạn như lỗi bit, trạm đang giữ nó bị hư hỏng Để phát hiện ra việc thẻ bài bị mất, khi thẻ bài chạy ngang qua monitor, nó sẽ bật một bộ đếm thời gian để tính giờ Bộ đếm này có giá trị tối đa là:

Số lượng trạm × THT + Độ trễ của vòngTrong đó “Số lượng trạm” là số các trạm làm việc đang hiện diện trên vòng, “độ trễ của vòng” là tổng thời gian lan truyền tín hiệu trên vòng Nếu bộ đếm đạt đến giá trị tối đa mà monitor vẫn không thấy thẻ bài chạy qua nó nữa thì nó sẽ tạo ra thẻ bài mới.Monitor cũng phải kiểm tra xem có khung nào bị hỏng hoặc vô thừa nhận hay không Một khung nếu có lỗi checksum hoặc khuôn dạng không hợp lệ sẽ chạy một cách vô định trên vòng Monitor sẽ thu khung này lại trước khi chèn lại thẻ bài vào vòng Một khung vô thừa nhận là khung mà đã được chèn thành công vào vòng, nhưng cha của

nó bị chết, nghĩa là trạm gởi nó chỉ gởi nó lên vòng, nhưng chưa kịp thu nó lại thì đã bị chết (down) Những khung như vậy sẽ bị phát hiện bằng cách thêm vào một bit điều khiển gọi là monitor bit Khi được phát lần đầu tiên, monitor bit trên khung sẽ nhận giá trị 0 Khi khung đi ngang qua monitor, monitor sẽ đặt monitor bit lên 1 Nếu monitor thấy khung này lại chạy qua nó với monitor bit là 1, nó sẽ rút khung này ra khỏi vòng Một chức năng quản lý vòng khác là phát hiện ra một trạm bị chết Nếu một trạm trong vòng bị chết, nó sẽ làm đứt vòng Để tránh tình trạng này người ta thêm vào trạm một rờ-le điện tử (relay) Khi trạm còn mạnh khỏe, rờ-le sẽ mở và trạm được nối với vành, khi trạm bị chết và ngưng không cung cấp năng lượng cho rờ-le, rờ-le sẽ tự động đóng mạch và bỏ qua trạm này

Khi monitor nghi ngờ một trạm bị chết, nó sẽ gởi đến trạm đó một khung đặc biệt gọi là khung beacon Nếu không nhận được trả lời thích đáng, monitor

sẽ coi trạm đó đã chết

3.3 FDDI

3.3.1 Giới thiệu FDDI

FDDI là một tập các giao thức ANSI truyền dữ liệu qua cáp quang Các mạng FDDI sử dụng phương thức truy nhập Token Passing, tốc độ có thể đạt đến 100 Mbps FDDI được sử dụng làm Backbone cho các mạng diện rộng MAN,WAN Cấu hình Ring cáp quang, có thể kết nối trực tiếp các trạm đầu cuối và các máy chủ trong một nhóm làm việc hay liên kết các mạng trong phạm vi một tòa nhà, trong một khu vực hay trong một thành phố Một trong các ứng dụng là để kết nối các máy chủ tốc độ cao Khi đóng vai trò là một mạng xương sống (Backbone), FDDI liên kết các thiết bị mạng khác nhau như Router, Switch, Brigde, các bộ tập trung để tạo thành một mạng lớn hơn từ các mạng con Tuy nhiên FDDI không được dùng cho các mạng diện rộng (WAN) có bán kính lớn hơn 100 km

Mặc dù bị thay thế bởi các công nghệ LAN khác, FDDI vẫn có những ưu điểm nhất định FDDI có thể được cấu hình như là hai mạng Ring ngược nhau độc lập Điều này làm tăng tính ổn định hệ thống cao hơn Nếu cấu hình (Topo) của mạng được thiết

kế hai đường quang của cả hai mạng khác nhau về mặt vật lý thì sẽ đảm bảo cho hai mạng không bị phá hủy trong cùng một thời gian khi xảy ra các sự cố liên quan đến hệ thống cáp

FDDI có đặc tính tự hồi phục bằng kỹ thuật Autowraping Lỗi phát sinh ở Ring sơ cấp (Ring đang hoạt động) sẽ được khắc phục bằng cách nối vòng với Ring thứ cấp (Ring dự phòng), tạo thành một Ring đơn và cho phép mạng FDDI hoạt động

ở tốc độ cao nhất Phần cứng mạng có khả năng phát hiện ra sự cố của cáp giữa các điểm kết nối, do có hai đường cáp nên trạm phát hiện ra lỗi sẽ tự động nối vòng hai Ring với nhau thành một Ring đơn Khung tin của FDDI có độ dài tới 4500 Byte, điều này làm tăng hiệu xuất mạng, giảm các thông tin Header giao thức.FDDI mã hóa dữ liệu khác biệt với các công nghệ khác để tăng hiệu quả truyền dẫn

FDDI-2 là công nghệ mở rộng của FDDI, hỗ trợ truyền dẫn các tín hiệu tiếng nói, hình ảnh và dữ liệu Một biến thể khác của FDDI là FFDT (FDDI Full Duplex

Technology) sử dụng hạ tầng mạng như FDDI nhưng có thể tốc độ truyền số liệu lên đến 200 Mbps

FDDI sử dụng cấu trúc vòng kép với lưu lượng truyền trên mỗi vòng Ring theo hướng ngược nhau Vòng Ring kép bao gồm một Ring thứ cấp và một Ring sơ cấp Trong quá trình hoạt động, Ring thứ cấp sử dụng để truyền số liệu còn Ring sơ cấp ở trạng thái rỗi Mục đích của việc sử dụng vòng Ring kép là để đảm bảo tính bền vững và ổn định hơn

3.3.2 So sánh những giữa FDDI và IEEE 802.5

3.3.3 Các kiểu kết nối đầu cuối FDDI

Một trong những đặc điểm đặc trưng của FDDI là việc hỗ trợ nhiều cách kết nối khác nhau giữa các thiết bị trên mạng FDDI FDDI đưa ra bốn kiểu kết nối

• Trạm kết nối đơn SAS (Single Attachment Station) - được kết nối vào duy nhất một Ring qua một bộ tập trung

• Trạm kết nối kép DAS (Dual Attachment Station) Mỗi DAS có hai port và được kết nối vào cả hai Ring

• Bộ tập trung kết nối đơn SAC (Single Attachment Concentrator)

• Bộ tập trung kết nối kép DAC (Dual Attachment Concentrator

3.3.4 Khả năng chịu lỗi của FDDI

FDDI là một công nghệ mạng có đặc tính chịu lỗi cao vì mạng có cấu trúc Ring kép, sử dụng các chuyển mạch vòng quang, hỗ trợ kỹ thuật Dual Homing

Ring kép: Ring kép có khả năng chịu lỗi cao Nếu một trạm trên Ring bị lỗi hoặc một đường cáp bị đứt thì các thiết bị ở phần còn lại sẽ tự động khép lại thành một Ring đơn Các hoạt động của mạng vẫn tiếp tục được duy trì trên các trạm còn lại của Ring.Tuy nhiên FDDI nếu hai hay nhiều lỗi xảy ra, Ring FDDI sẽ bị phân mảnh thành

hai hoặc nhiều Ring con độc lập và các thiết bị trên mỗi Ring vẫn có khả năng trao đổi thông tin với nhau.

Chuyển mạch vòng quang (Optical Bypass Switch): Chuyển mạch vòng quang đảm bảo sự hoạt động của Ring kép một cách liên tục nếu một thiết bị nào đó trên Ring bị lỗi Nó được sử dụng để ngăn chặn việc phân mảnh Ring cũng như loại bỏ các trạm có lỗi ra khỏi Ring Chuyển mạch vòng quang bằng cách sử dụng các gương quang học để truyền trực tiếp các tia sáng từ Ring tới các thiết bị truy nhập kép DAS Nếu một lỗi nào đó xảy ra trên thiết bị DAS, thì chuyển mạch quang này sẽ chuyển tia sáng qua chính nó bằng các gương nội tại, vì vậy vẫn duy trì được hoạt động của Ring Lợi ích mang lại từ khả năng này là Ring sẽ không phải chuyển sang trạng thái Ring đơn khi thiết bị có lỗi Hình 8 mô tả chức năng của một chuyển mạch vòng quang trong một mạng FDDI

Các thiết bị quan trọng (Router,Mainframe) có thể sử dụng công nghệ homing để các kết nối dự phòng, nhằm đảm bảo cho thiết bị hoạt động một cách liên tục Theo mô hình Dual- homing, các thiết bị quan trọng được gắn vào Ring qua hai bộ tập trung

Dual-FDDI là một công nghệ mạng LAN/MAN sử dụng cáp quang, tốc độ 100 Mbps được thiết kế theo dạng Ring, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu của người sử dụng mạng cần tốc độ truyền dẫn lớn hơn so với các mạng Ethernet/802.3 và token Ring hiện thời Công nghệ này được thực hiện trước khi có sự phát triển của Fast Ethernet

3.4.1 Giới thiệu chung

Những năm cuối của thế kỷ XX các hệ thống viễn thông sử dụng công nghệ cáp quang có độ tin cậy cao, đảm bảo tốc độ và chất lượng truyền dẫn, giảm thiểu tình trạng nghẽn mạch và tỉ lệ lỗi dữ liệu Các giao thức trước đây cho mạng chuyển mạch gói đặc tả các thủ tục quản lý lưu lượng, quản lý tắc nghẽn và xử lý lỗi, đảm bảo

tính thống nhất, toàn vẹn thông tin trên đường truyền đã trở nên phức tạp, cồng kềnh, làm giảm thông lượng.

Frame Relay ra đời như là một công nghệ kế thừa những đặc điểm ưu việt của mạng chuyển mạch gói như tính tin cậy, mềm dẻo, khả năng chia sẻ tài nguyên Đồng thời hạn chế tối đa thủ tục kiểm soát, hỏi đáp không cần thiết gây ra độ trễ lớn Nó cho phép tận dụng các ưu thế về tốc độ truyền tải và tính ổn định của công nghệ truyền dẫn, thỏa mãn nhu cầu dịch vụ tốc độ cao, sử dụng nhiều thông lượng mạng diện rộng WAN trên đó truyền tải một lượng lớn dữ liệu với nhiều định dạng khác nhau

Công nghệ Frame Relay tích hợp tính năng dồn kênh tĩnh và chia sẻ công nghệ X.25 Dữ liệu được tổ chức thành các khung có độ dài không cố định được đánh địa chỉ tương tự như X.25 Tuy nhiên, khác với X.25, Frame Relay loại bỏ hoàn toàn các thủ tục ở tầng 3 trong mô hình OSI Chỉ một số chức năng chính ở tầng 2 được thực hiện Vì vậy tốc độ truyền trong mạng Frame Relay cao hơn nhiều so với X.25 và mạng Frame Relay được gọi là mạng chuyển mạch gói tốc độ cao

3.4.2 Cấu hình tổng quát mạng Frame Relay

Hình 5.7 trình bày các thành phần chính của mạng Frame Relay Các kênh riêng tạo ra liên kết vật lý giữa DTE và DCE DTE còn được gọi là thiết bị truy nhập mạng FRAD (Frame Relay Access Device) thường là các Router, Bridge, ATM Switch DCE còn được gọi là thiết bị mạng FRND (Frame Relay Network Device) là các thiết bị chuyển mạch Frame Relay Switch FRAD và FRND chuyển đổi dữ liệu thông qua các quy định