Phân tích và thiết kế hệ thống mạng máy tính dùng phần mềm mã nguồn mở

u= - Nhược điểm chính hiệu suất thấp tính tin cậy không cao + Phương pháp điều khiển truy nhập phân tán cơ chế dành sẵn tài nguyên tokenring 8025 do IBM phát triển Quyền một bài chạy toà

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-[\ [\ -

TRẦN THANH HẢI

PHÂN TÍCH VÀ THIẾT KẾ HỆ THỐNG MẠNG MÁY TÍNH DÙNG PHẦN MỀM MÃ

NGUỒN MỞ

LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC

KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

Hà Nội, 2010

1 LỜI CAM ĐOAN

Ngoài sự giúp đỡ và chỉ bảo tận tình của TS Hoàng Mạnh Thắng, cuốn luận văn này là sản phẩm của quá trình tìm tòi, kiến thức tích luỹ học tập, nghiên cứu và trình bày của tác giả về đề tài trong luận văn Mọi số liệu quan điểm, quan niệm, phân tích, kết luận của các tài liệu và các nhà nghiên cứu khác đều được trích dẫn theo đúng qui định Vì vậy, tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng mình

Hà Nội, ngày 10 tháng 10 năm 2010

Tác giả

Bùi Mạnh Nam

2 LỜI MỞ ĐẦU

OpenSource là sản phẩm phần mền được cộng đồng thế giới phát triển Các ứng dụng của nó thể hiện vai trò vô cùng quan trọng trong nhiều lĩnh vực cũng như đem lại những lợi ích to lớn về mặt kinh tế xã hội Do vậy, việc thiết kế thống ứng dụng cũng như khai thác sản phẩm phần mềm có khả năng tương thích phù hợp với các hệ thống thực tế là một yêu cầu rất thiết thực Để thực hiện điều đó, các công nghệ phát triển hệ thống mạng máy tính

và mô phỏng hệ thống phù hợp với các sản phẩm phần mềm Opensource luôn có những khó khăn rất nhiều do sự giới hạn về băng thông, lưu trữ dữ liệu, phần thiết bị mạng, máy chủ v.v Để vượt qua những trở ngại này, hiện nay trên thế giới người ta đã đang phát triển cộng đồng mã nguồn mở tốt hơn nữa thuận tiện dễ dùng với tên gọi “OpenSource”

Kỹ thuật hệ thống mạng về phần cứng và phần mềm OpenSource, chúng luôn là giải pháp thực hiện các xử lý đòi hỏi tốc độ siêu cao, lưu trữ hàng Petabyte và xử lý song song phân tán dựa trên nền tảng công nghệ của grid computing, hệ thống cache, hệ thống bảo mật, hệ thống webserver, hệ thống ảo hoá… Chúng ta có thể dễ dàng nâng cấp, thay đổi file cài đặt phù hợp của các hệ thống đó bằng cách tiếp cận mã nguồn mở, phần mềm một cách dễ dàng cho phù hợp với yêu cầu Do đó tiết kiệm được chi phí mua phần mềm thay đổi thiết bị phần cứng cũng như thời gian triển khai hệ thống mới Với ưu điểm như vậy, trong cuốn luận văn này tôi tập trung nghiên cứu hệ thống máy chủ cài đặt opensource như

là mô phỏng thiết kế mạng máy tính theo thiết bị cissco bằng phần mềm cisco packet tracer, mô phỏng hệ thống các sự kiện giao thức http, fpt bằng Omnest 4.0, thực hiện thiết

kế hệ thống chạy thật gfarm, xencitrix, lighttpd, linux HA dựa trên phần mềm mã nguồn

mở nhằm xây dựng nên một hệ thống có khả năng phù hợp với thực tế việt nam hiện nay Qua đây, tôi xin gửi lời cám ơn tới gia đình, bạn bè và các thầy cô trong khoa Điện tử - Viễn Thông, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã ủng hộ và giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn Đặc biệt, Tôi xin chân thành cám ơn thầy giáo hướng dẫn là TS Hoàng Mạnh Thắng đã nhiệt tình chỉ bảo để tôi hoàn thành cuốn luận văn này

MỤC LỤC

1 LỜI CAM ĐOAN 1

2 LỜI MỞ ĐẦU 2

MỤC LỤC 4

DANH MỤC HÌNH VẼ 6

3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT 7

4 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ MẠNG VIỄN THÔNG 8

1.1 Hệ thống đóng một số tính chất của hệ thống tương ứng 8

1.2 Mạng máy tính 9

1.3.Công nghệ ATM 12

1.4 Đánh giá chất lượng mạng 12

1.5 Các cơ chế đảm bảo chất lượng trong mạng 14

1.6 QoS mạng IP 14

1.7 Các giải pháp QoS 17

1.8 Mô phỏng về webserver bằng omnest4.0 chạy trên cả linux và windown 25

5 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ MẠNG MÁY TÍNH 27

2.1 Các yếu tố của mạng máy tính 27

2.2 Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI 31

2.3 Hệ điều hành mạng 42

2.4 Kết nối liên mạng 48

2.5 Tầng liên kết dữ liệu (DATA LINK) 49

2.6 Tầng mạng (NETWORK) 50

2.7 Tầng giao vận (TRANSPORTATION) 55

2.8 Tầng phiên (SESSION) 56

2.9 Tầng trình diễn (PRESENTATION) 57

2.10 Tầng ứng dụng (APPLICATION) 57

2.11 Kiến trúc mạng cục bộ 58

2.12 Phần cứng và các thiết bị mạng 62

2.13 Chuẩn Ethernet 62

2.14 Những vấn đề cơ bản mạng máy tính 63

2.15 An toàn thông tin trên mạng 66

2.16 Thiết kế mạng máy chủ phân chia mạng con 71

6 CHƯƠNG 3 - PHẦN MỀM MÃ NGUỒN MỞ (OPENSOURCE) 74

3.1 Hệ Điều Hành 74

3.2 Phần mềm ứng dụng mã nguồn mở 85

3.3 Web2.0 91

3.4 Hệ thống cache 97

3.5 Các phần mềm khác 98

3.6 Phần thực hiện tạo hệ thống server 99

7 CHƯƠNG 4 - GIẢI PHÁP IBM VÀ XU HƯỚNG PHÁT TRIỂN 104

4.1 Tìm hiểu cloud computing IBM 104

8 TÀI LIỆU THAM KHẢO 117

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1-1 Phân lớp lưu lượng theo IP Precedence 16

Hình 1-2 Cấu trúc tag trong khung dữ liệu 802.1Q/p 17

Hình 1-3 Mô hình quản lý băng thông tĩnh 18

Hình 1-4 Kỹ thuật thùng đựng thẻ 19

Hình 1-5 Giải thuật thùng đựng thẻ 20

Hình 1-6 Giải thuật CAR 21

Hình 1-7 Mô hình phân phối lưu lượng ra 22

Hình 1-8 Mô hình quản lý băng thông động 25

Hình 1-9 Mô phỏng HTTP và FTP bằng omnet 26

Hình 2-1 Mạng chuyển mạch kênh 29

Hình 2-2 Mạng chuyển mạch thông báo 29

Hình 2-3 Mạng chuyển mạch gói 1

Hình 2-4 Đường truyền vật lý 32

Hình 2-5 Mô phỏng thiết kế mạng bằng Packet Tracer 1

Hình 3-1Minh hoạ nhân Linux 2.6 1

Hình 3-2 Xử lý card mạng 1

Hình 3-3Tiến trình TCP xử lý nội dung 1

Hình 3-4 Tiến trình TCP ngắt 1

Hình 3-5 Mô hình toán học 1

Hình 3-6 Chu kỳ hàng đợi 1

Hình 3-7 Kiến trúc hệ thống ảo 1

Hình 3-8 Sơ đồ ứng dụng Web 2.0 1

Hình 3-9 Hệ thống memcached 1

Hình 3-10Sơ đồ web giám sát hệ thống gmeta 1

Hình 3-11Sơ đồ thực hiện 1

3 DANH MỤC TỪ VIẾT TẮT

Từ viết tắt Nghĩa từ

ABM Asynchronous Balanced Mode

ARM Asynchronous Response Mode

ATM Asynchronous Transfer Mode

CRC Cyclic redundancy check

CSMA/CD Carrier Sense Multiple Access with Collision Detection

DCE Data Circuit Terminal Equipment

DTE Data Terminal Equipment

FIFO First In First Out

FR Frame Relay

IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers

LMI Local Management Interface

MPLS Multiprotocol Label Switching

NRM Normal Response Mode

RTT Round trip time

SDLC Synchronous Data Link Control

SNA System Network Architecture

SSCP Systems Services control point

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

4 CHƯƠNG 1 CƠ SỞ MẠNG VIỄN THÔNG

Mạng viễn thông hiện nay mạng vật lý cho phép truyền băng rộng access, ethernet, wifi, blutooth, wimax, core NGN, MPLS Tầng truyền dẫn trên sợi quang

như SDH, WDM, IP Cơ chế đảm bảo chất lượng

- Nin(0,t): tổng số yêu cầu đi vào hệ thống

- Ns(0,t): tổng yêu cầu nằm trong hệ thống

- Nout(0,t): tổng số yêu cầu đi ra khỏi hệ thống

- Hệ thống hàng đợi là một hệ thống phục vụ (nhưng không nhất thiết phải

là một hệ thống đóng)

- Tiến trình tới của hệ thống hàng đợi

- Số yêu cầu trung bình phân bố yêu cầu tiến trình tới

- Hàng đợi chiều dài hàng đợi là L

- Trình tự phục vụ các yêu cầu trong hang đợi (FIFO), LILO,

Roundrobin

- Máy chủ đặc trưng 3 tham số số máy chủ C, tốc độ phục vụ trung bình thứ

i, phân bổ xác xuất thời gian theo yêu cầu (1/µ)

1.1.2 Một số hệ thống đóng

- Định nghĩa: hệ thống đóng phục vụ N=λT (2.1)

N số yêu cầu nằm trong hệ thống

λ: số yêu cầu trung bình đưa vào hệ thống

T: thời gian trung bình 1 yêu cầu lưu vào hệ thống

hệ thống C máy chủ có phục vụ hang đợi L=∞

Giải pháp tải hệ thống ρ=

ρ : đặc trưng cho bởi hệ thống để tải hoạt động ổn định 0≤ ρ ≤1 suy ra

λ ≤ C.µ

Quy ước N số yêu cầu trung bình đang ở hệ thống

Nb được phân vào yêu cầu phục vụ

T thời gian lưu lại hệ thống

Ts thời gian phục vụ bởi server

Nhận xét để tính toán được tham số này của 1 hệ thống từng được phân bố

hệ thống đợi với tiến trình và tiến trình phục vụ cụ thể

Từ đó suy ra chú ý đến các đại lượng

1.2.1 Khái niệm về mạng băng rộng truyền số liệu đa dịch vụ, voice, data

Phân loại theo kích thước PAM blutooth, zigbe, phụ thuộc IEE 802.15

- LAN token ring (IEE 802.5), 802.4 ethernet 802.3 wifi 802.11

- MAN

- IEE 802.6, ATM Wimax,3G, mạng WAN (widen are network), ATM -> MPLS

- WAN wirelesswan (IEE802.20)

- Phân biệt theo chức năng mạng

Network access nối qua mạng truy cập IEE 802.20 kết nối trực tiếp người

sử dụng thoã mãn người sử dụng đa dịch vụ Lưu lượng nhỏ

- Network backbone

Mạng lõi kết nối với tầng access sau đó kết nối với người sử dụng lưu lượng lớn

- Các chức năng mạng băng rộng mô hình phân lớp

internetworking (định tuyến) routing các chức năng đảm bảo dịch vụ chất lượng cơ sở hạ tầng cho phép truyền dữ liệu giữa các mạng khác nhau, phụ thuộc vào cơ sở hạ tầng mạng vật lý

- Đảm bảo tính toàn vẹn thông tin truyền, sửa lại phát hiện lỗi

Phương pháp cơ chế phối hợp đường truyền

Phân loại theo cơ chế điều khiển đăng nhập kênh truyền

+ Phân loại cơ chế MAC

- Điều khiển truy nhập kênh truyền một cách tập trung

- Điều khiển phân tán với cơ chế dành sẵn tài nguyên (tockenring 802.5)

- Phương pháp truy cập ngẫu nhiên tập chung Mạng sử dụng công nghệ

- Công thức tính thời gian lan truyền của kênh

l t c

=

- l khoảng cách

- c vận tốc ánh sáng + t, s thời gian cần thiết truyền một dữ liệu lên kênh truyền

Ts=

- l chiều dài của gói dữ liệu

- r dung lượng của kênh + Hiệu suất truyền trong 1 chu kỳ gọi pollcalling

u=

- Nhược điểm chính hiệu suất thấp tính tin cậy không cao + Phương pháp điều khiển truy nhập phân tán cơ chế dành sẵn tài nguyên tokenring 8025 do IBM phát triển

Quyền một bài chạy toàn phần trong mạng

- trạm nào ai nhận được thẻ bài được cho phép truyền dữ liệu

- tăng hiệu suất mạng trả ngay thẻ bài lên chính nó

- lưu lượng đi vào card mạng λ thời gian phục vụ Thời gian lan truyền tính công thức sau

L: chiều dài

C: Vận tốc ánh sáng

Phân bổ theo poison

- Thời gian để dữ liệu truyền giả thiết các trạm cách đều nhau một tầng cách lưu lượng trễ tại các bộ đệm chung gian đi khoảng cách giữa các tham số và chính là ½ vòng phân tích trễ từ thiết bị của một gói từ khi đi vào bộ đệm cho đến khi đi ra bộ đệm

Kích thước gói thay đổi với độ dẫn tuân theo phân bổ poison

+ Thay công thức trên mạng vòng dài

Tt0=TL(1-ρ*/N)/2(1-ρ*) + ρ*.Ts/2.(1- ρ*) + TL/2 + Ts

Cơ chế truyền ngẫu nhiên

- Aloha Nguyên tắc các trạm thu phát cùng sử dụng băng tần chung

phát dữ liệu vô hướng Không có cơ chế kiểm tra thông tin kênh truyền khi dữ liều

cần phát trạm phát gửi dữ liệu

- OFDM một người chia thành nhiều kênh nhiều hay nhiều tần số

Công nghệ mạng wan băng rộng

(ATM và MPLS)

1.3.Công nghệ ATM

Mạng diện rộng kết nối access vào mạng có dây

Giới thiệu ATM

Công nghệ truyền tải không đồng bộ công dụng mạng băng rộng đa dịch vụ nền tảng cho B-ISDN

Thoại, multimiadia, dữ liệu băng thông lớn phân biệt các tính chất khác đưa

ra các cơ chế phù hợp với các tính chất phù hợp với các yêu cầu mạng thoả mãn tryền đa phương tiện các cơ chế đảm bảo chất lượng trễ băng thông và xác xuất mất gói

Đặc điểm ATM cơ sở truyền dẫn ATM mạng các quang có truyền tải lớn phù hợp với thời gian thực việc sử lý gói trung gian rất lâu

ATM dựa trên cơ chế hướng kết nối kênh ảo nhận dạng kết nối VPI, VCI có các gói forware các gói, gói ATM là 53 byte có 48 byte dữ liệu, 5 byte mào đầu VPI

và VCI chuyển mạch ATM switch các gói cùng VPI, VCI được coi cùng kết nối, có băng thông thay đổi tuỳ vào nhu cầu sử dụng kết nối băng thông không hết sử dụng không hiệu quả vì băng thông đặt sẵn vậy phương pháp hợp kênh thống kê sử dụng tài nguyên mạng hiệu quả mềm dẻo vậy sẽ không phù hợp với kết nối IP và web sau khi thiết lập kết nối

MPLS ATM chỉ phù hợp với các dịch vụ hướng liên kết không thích hợp các chạy trên nền IP không gian dịch vụ và thiết lập và huỷ bỏ kết nối MPLS=ATM + IP router lớp MAC

1.4 Đánh giá chất lượng mạng

1.4.1 Khái niệm chất lượng dịch vụ và các tham số dịch vụ

- Phân biệt các dịch vụ trong mạng băng rộng loại dịch vụ thời gian thật video , truyền hình thoại nhạy cảm mất gói không tốt

- Không quá nhạy cảm với sự mất gói phi thời gian thực như ftp, http,.dịch

vụ dữ liệu phụ thuộc băng thong sự mất gói lỗi gói

- Các tham số đặc trưng của chất lượng dịch vụ trễ delay được sử dụng các dịch vụ thời gian thực

- Phân loại trễ từ đầu cuối đến đầu cuối, trễ nút mạng, trễ lan truyền khoảng cách biến động trễ jitter được sử dụng cho dịch vụ thời gian thực

- Sự thay đổi trễ giữa các gói liền nhau gọi là jitter

- Băng thông thời gian thực, xác xuất mất gói

1.4.2 Đảm bảo chất lượng dịch vụ mạng

- Khái niệm và các tham số vì chất lượng dịch vụ

+ Phân loại dịch vụ có đảm bảo

+ Dịch vụ được điều khiển

+ Các dịch vụ được đàn hồi

+ Các dịch vụ đảm bảo cho tính chất thời gian thực tương tác hai chiều dịch

vụ tải điều khiển ứng dụng thời gian thực trễ quá lớn gây ra tiếng vọng

- Voice dịch vụ luồng

- Iptv

- Dịch vụ phản hồi dịch vụ truyền số liệu web, email

Các dịch vụ tham số đảm bảo trễ lan truyền khoảng cách, trễ hàng đợi tải của nút mạng, trễ đầu cuối đến đầu cuối

- Biến động JITTER sự thay đổi trễ các gói liên tiếp

- Di trễ gói dữ liệu thứ i, Ji ≠0 hiện tượng chênh lệch giữa các gói tin trễ gói tin trễ nhau định ra các trễ chuẩn d trễ cực đại

- Băng thông phụ thuộc tác động trễ các tham số cho dịch vụ điều khiển tải jitter mất gói (packet loss and error rate PLER) không quan trọng cho dịch vụ truyền dữ liệu

- Băng thông đóng vai trò quan trọng các dịch vụ đàn hồi tỉ lệ mất gói PLER=

Cấp phát băng thông trung bình và băng thông tối thiểu

1.5 Các cơ chế đảm bảo chất lượng trong mạng

- Các cơ chế phân luồng

- điều khiển chấp nhận kết nối

- dành sẵn tài nguyên

- phân hoạch gói tin

- giám sát điều khiển lưu lượng

- định tuyến dựa vào chất lượng QoS

1.6 QoS mạng IP

QoS mạng IP là nói đến các kỹ thuật xử lý lưu lượng trong mạng truyền số

liệu sử dụng bộ giao thức IP (Internet Protocol) nhằm đảm bảo các loại lưu lượng có yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau được đối xử ưu tiên khác nhau Chẳng hạn, trong một mạng IP có hai ứng dụng là truyền file FTP và dịch vụ gọi điện thoại IP telephony Ứng dụng IP Telephony đòi hỏi việc truyền dữ liệu phải liên tục, độ trễ thấp (thời gian thực), còn ứng dụng FTP không yêu cầu cao về độ trễ, miễn là truyền đủ và chính xác nội dung dữ liệu Với mạng IP này, chúng ta cần phải áp dụng các kỹ thuật xử lý lưu lượng nhằm phân loại lưu lượng và áp dụng các chính

sách ưu tiên khác nhau nhằm đảm bảo lưu lượng IP Telephony phải có độ ưu tiên

đường truyền cao hơn, thậm chí thông suốt kể cả khi mạng bị nghẽn so với dịch vụ

truyền file FTP, hệ thống mạng như vậy được gọi là có cam kết chất lượng dịch

vụ mà sau đây gọi tắt là QoS

Các tiêu chí đánh giá chất lượng dịch vụ

Để đánh giá chất lượng dịch vụ của mạng IP người ta dựa vào các tham số sau đây:

• Tỷ lệ mất gói: tham số này cho biết tỷ lệ phần trăm số gói IP bị mất trên

tổng số toàn bộ số gói IP đầu gửi đã chuyển vào mạng cho phía đầu nhận

• Độ trễ gói: tham số này cho biết khoảng thời gian gói IP được chuyển từ đầu

gửi đến đầu nhận

• Độ biến thiên trễ (jitter): tham số này cho biết sự dao động về độ lớn của độ

a Phân lớp lưu lượng ở mức lớp mạng

Để sắp xếp các luồng dữ liệu IP thành các lớp khác nhau nhằm phục vụ cho các chính sách QoS khác nhau, chúng ta sử dụng 3 bit đầu tiên trong trường loại dịch vụ (Service Type - ToS) trong phần mào đầu của gói dữ liệu IP 3 bit này được gọi là trường IP Precedence và có giá trị mặc định là 0 Trường IP Precedence bằng

0 có nghĩa là gói tin này sẽ được truyền theo kiểu không có cam kết QoS (Best Effort) 7 giá trị còn lại của trường IP Precedence dùng để phân chia lưu lượng IP thành 7 lớp dịch vụ có thứ tư ưu tiên tăng dần, cấu trúc trường IP Precedence được trình bày trong hình sau:

Hình 4-1 Phân lớp lưu lượng theo IP Precedence

Trong trường hợp cần thiết phải phân chia nhiều hơn 8 lớp lưu lượng, chúng

ta có thể sử dụng 6 bit đầu tiên của trường ToS gọi là trường DSCP Trường DSCP

có giá trị từ 0 đến 63, do đó nó cho phép chúng ta phân chia lưu lượng IP thành 64 lớp dịch vụ khác nhau Tuy nhiên, một số thiết bị mạng cũ có thể không hỗ trợ việc phân lớp lưu lượng sử dụng trường DSCP này Hơn nữa, trường IP Precedence thực

tế là nằm trong trường DSCP nên chúng ta không thể cùng lúc vừa phân lớp lưu lượng theo IP Precedence và vừa theo DSCP

b Phân lớp lưu lượng ở mức lớp liên kết dữ liệu

Trong phần mào đầu của khung dữ liệu ở lớp liên kết dữ liệu không có trường nào phục vụ cho việc phân lớp lưu lượng Tuy nhiên ta có thể phân lưu lượng dựa vào việc chèn thêm các thẻ định danh VLAN gọi là tag theo giao thức 802.1Q/p Mỗi tag gồm 4 byte trong đó trường CoS gồm 3 bit (cấu trúc chi tiết của tag được trình bày trong hình vẽ) được dùng để phân lớp lưu lượng Như vậy tại mức liên kết dữ liệu chúng ta cũng có thể phân chia lưu lượng thành 8 lớp với các mức ưu tiên tăng dần tương tự như khi sử dụng IP Precedence tại lớp mạng của gói tin IP

Hình 4-2 Cấu trúc tag trong khung dữ liệu 802.1Q/p

• Cấu trúc Differentiated Services: dữ liệu đi vào mạng được phân loại thành các lớp khác nhau để phân loại cách đối xử của mạng đối với dữ liệu Thực hiện thông qua các tool QoS là PQ, CQ, WFQ và WRED

1.7.1 Quản lý băng thông tĩnh

Giới thiệu

Ngày càng nhiều ứng dụng mới hoạt động trên hạ mạng internet sẵn có Các ứng dụng như hội nghị truyền hình, thoại IP (VoIP), đòi hỏi lưu lượng phải đảm bảo chất lượng dịch vụ Các yêu cầu này bao gồm băng thông, tỷ lệ mất gói và độ trễ cho phép Các thành phần của mạng như bộ định tuyến thực hiện chức năng xử lý các luồng dữ liệu này có thể chấp nhận hoặc từ chối các luồng dữ liệu theo các điều kiện định trước Tiến trình ra quyết định chấp nhận hay từ chối các luồng dữ liệu mới được gọi là điều khiển lưu lưọng vào Vậy điều khiển lưu lượng vào giới hạn tải trên hệ thống hàng đợi bằng cách xác định xem liệu một yêu cầu dịch vụ mới có thể đáp ứng được không trong khi vẫn đảm bảo không phá vở các cam kết đảm bảo dịch vụ cho các luồng lưu lưọng đã được thiết lập Các hệ thống hàng đợi là trung tâm trong việc cài đặt các dịch vụ mạng có điều khiển QoS

Hình 4-3 Mô hình quản lý băng thông tĩnh

Quá trình thực hiện cam kết chất lượng dịch vụ đòi hỏi kết hợp các kỹ thuật điều khiển lưu lượng vào và các kỹ thuật phân phối lưu lượng ra Điều khiển lưu lượng vào sẽ điều tiết gói dữ liệu đến giao diện mạng đầu vào Phân phối lưu lượng

ra định nghĩa quy tắc dịch vụ hàng đợi cho các giao diện mạng đầu ra bao gồm thứ

tự các gói tin được thực sự chuyển đi Mô hình quản lý băng thông gồm như vậy được gọi là mô hình quản lý băng thông tĩnh

1.7.2 Điều khiển lưu lượng vào (Admission Control)

Giải thuật thùng đựng thẻ

Thùng đựng thẻ (Token bucket) là một cơ chế điều khiển lưu lượng vào dựa trên sự xuất hiện của các thẻ trong thùng (xem hình vẽ) Thùng thẻ chứa các thẻ, mỗi thẻ đại diện cho một đơn vị lưu lượng theo byte hoặc gói tin Để truyền một gói tin, trong thùng sẽ bị rút bớt một lượng thẻ tương ứng Người quản trị mạng chỉ định số thẻ cần thiết tương ứng với số byte cần truyền Khi đủ thẻ trong thùng thì dữ liệu được cho phép truyền qua, ngược lại nếu không còn thẻ thì dữ liệu sẽ không được truyền qua Do đó, một luồng dữ liệu chỉ có thể được truyền ở tốc độ cao nhất khi đủ thẻ trong thùng

Hình 4-4 Kỹ thuật thùng đựng thẻ

Giải thuật thùng thẻ được trình bày như sau:

• Mỗi thẻ được đưa vào thùng với tốc độ 1/r giây

• Thùng chỉ có thể chứa tối đa b thẻ

• Một thẻ sẽ bị huỷ bỏ nếu khi thẻ đến gặp lúc thùng đầy

• Khi một gói tin n byte truyền đến, n thẻ sẽ được loại khỏi thùng, sau

đó gói tin sẽ được truyền qua

• Nếu số thẻ còn trong thùng nhỏ hơn n, gói tin sẽ không được truyền

và được gọi là không đúng điều kiện (non-conformant), thẻ cũng sẽ không bị loại khỏi thùng

Giải thuật cho phép tốc độ đỉnh tối đa b byte, nhưng tốc độ truyền gói tin của hệ thống bị giới hạn ở tốc độ r Các gói tin không đúng điều kiện có thể được xử

lý theo các cách sau:

• Có thể bị huỷ

• Có thể được xếp hàng và chờ cho đến khi đủ thẻ trong thùng

• Có thể được truyền qua, nhưng được đánh dấu là không đúng điều kiện, và có thể bị huỷ nếu hệ thống mạng trong tình trạng quá tải

Hình 4-5 Giải thuật thùng đựng thẻ 1.7.3 Điều khiển lưu lượng vào

Nội dung chính của cơ chế điều khiển lưu lượng vào là đảm bảo tài nguyên mạng không được quá tải Nói cách khác, nó phải đảm bảo rằng tổng tỷ lệ đăng ký

sử dụng tài nguyên của mọi luồng lưu lưọng truyền qua mọi kết nối mạng là không lớn hơn dung lượng của kết nối Phương trình toán học biểu diễn như sau:

Trong đó µ, là dung lượng kết nối tính theo bit/giây (bits/second) và Ri là tỷ

lệ lưu lượng của luồng thứ i

a Giải thuật CAR

CAR (Committed Access Rate) là một trong những giải thuật điều khiển lưu lượng vào phổ biến nhất Việc cài đặt của CAR bao gồm điều khiển lưu lượng theo luồng và phân lớp các luồng dựa trên TOS, địa chỉ IP nguồn, đích, giao thức, chỉ số cổng Giải thuật CAR được trình bày như sau:

Hình 4-6 Giải thuật CAR

• Phân lớp lưu lượng: Dựa vào các điều kiện như IP precedence, DSCP hay CoS, lưu lượng được chia thành các lớp khác nhau để xử lý

• Đo lường lưu lượng: CAR sử dụng giải thuật thùng thẻ trình bày ở trên để thực hiện việc tính toán tốc độ luồng dữ liệu

• Thực thi chính sách: Một chính sách là tổ hợp của nhiều yếu tố bao gồm:

o Các lớp lưu lượng tuân theo profile và không tuân theo profile được CAR xử lý khác nhau

o Tốc độ cam kết trung bình xác định tốc độ truyền trung bình Các luồng dữ liệu thấp hơn hoặc bằng với tốc độ trung bình được gọi là tuân theo profile còn nếu lớn hơn thì được gọi là không tuân theo profile

o Kích thước đỉnh bình thường xác định đỉnh lưu lượng cho phép trước khi kiểm tra xem lưu lượng có tuân theo profile hay không

o Kích thước đỉnh quá mức, lưu lượng nằm giữa kích thước đỉnh quá mức và kích thước đỉnh bình thường được gọi là không tuân theo profile

o Một tác động là cách đối xử khác nhau giữa các luồng dữ liệu tuân theo và không tuân theo profile

Tốc độ luồng dữ liệu đo được từ giải thuật thùng thẻ sẽ được phân ra làm

hai loại là phù hợp và vượt ngưỡng Các chính sách tác động lên gói tin bao gồm:

o Tiếp tục, kiểm tra chính sách kế tiếp

o Huỷ, huỷ gói tin

o Thiết lập IP-Prec và tiếp tục, thiết lập giá trị IP precedence trong

phần mào đầu của gói tin và kiểm tra chính sách kế tiếp

o Chuyển tiếp, chuyển gói tin đi tiếp

o Thiết lập IP-Prec và chuyển tiếp, thiết lập giá trị IP precedence trong

phần mào đầu của gói tin và chuyển gói tin đi tiếp

1.7.4 Phân phối lưu lượng ra (Scheduling Algorithms)

Cơ sở của việc phân phối lưu lượng ra là cấu trúc hàng đợi Bộ phân phối lưu lượng quyết định trật tự ra khỏi hàng của các phần tử trong hàng đợi, vì vậy chúng liên quan đến việc cấp phát tài nguyên trong các bộ chuyển mạch và định tuyến, mô hình tổng quát của bộ phân phối lưu lượng ra như trong hình sau:

Hình 4-7 Mô hình phân phối lưu lượng ra

1.7.5 Các thành phần của các giải thuật phân phối lưu lượng ra

Các giải thuật xử lý hàng đợi nhằm đưa ra 3 thông số liên quan đến việc truyền gói tin sau đây:

• Băng thông – dành để truyền gói tin

• Độ ưu tiên – xác định thời điểm truyền các gói tin

• Không gian bộ đệm – nơi huỷ gói tin tại cổng ra

Khi nghiên cứu việc cấp phát băng thông động, rõ ràng rằng giải thuật phân phối lưu lượng ra tại cổng vào/ra của bộ định tuyến đóng vai trò quyết định nhất trong việc cấp phát băng thông cho các luồng hoặc các kết hợp luồng dữ liệu Trong nghiên cứu cấp phát băng thông trên kết nối chia sẻ, chúng ta tập trung đến những nút cổ chai cho các giải pháp yêu cầu trên quản lý lưu lượng luồng dữ liệu Trên đường dẫn dữ liệu, các tác vụ tốn nhiều chi phí là phân lớp theo luồng và phân phối lưu lượng ra Trên đường dẫn điều khiển, sự phức tạp là bảo trì tính bền vững và trạng thái động trong môi trường phân tán Trong các nội dung trên, cách dễ nhất để giảm độ phức tạp của giải thuật phân phối lưu lượng ra là sự cân nhắc giữa độ phức tạp và tính linh hoạt của bộ phân phối lưu lượng ra Vì vậy, công việc của chúng ta tập trung vào việc cài đặt hiệu quả giải thuật phân phối lưu lượng ra nhằm điều khiển việc cấp phát băng thông thực sự, yêu cầu mà giải thuật cấp phát băng thông

và không gian bộ đệm tuỳ theo các điều kiện và các yêu cầu QoS của một kết hợp luồng

a Các giải thuật phân phối lưu lượng ra

1.7.6 Quản lý băng thông động

a Yêu cầu phát triển mô hình quản lý băng thông động

Việc triển khai các kỹ thuật quản lý băng thông tĩnh sẽ tăng cường chất lượng truy nhập mạng, cho phép nhiều ứng dụng với các yêu cầu chất lượng dịch vụ khác nhau hoạt động đồng thời Tuy nhiên các kỹ thuật quản lý băng thông tĩnh luôn tồn tại các hạn chế như sau:

• Cấp phát tài nguyên hệ thống một cách cứng nhắc cho các lớp lưu lượng hay các ứng dụng, mặc dù trong thực tế, yêu cầu băng thông của các ứng dụng có thể thay đổi theo thời gian Điều đó dẫn đến việc thừa tài nguyên tại các thời điểm lưu lượng thấp và thiếu hụt tài nguyên tại các thời điểm lưu lượng cao

• Việc cấp phát tài nguyên cứng nhắc cũng dẫn đến sự lảng phí tài nguyên mạng lưới, tài nguyên quan trọng của mạng lưới (tài nguyên mà chúng ta đăng xét ở đây là băng thông của hệ thống) không được khai thác tối ưu

• Sự bùng nổ các ứng dụng mới trên nền mạng TCP/IP làm cho việc khai báo mô tả lưu lượng trở nên rất phức tạp, điều này trở nên đặc biệt khó khăn trong môi trường mạng internet

Để khắc phục các hạn chế này, chúng tôi đang nghiên cứu một mô hình quản lý băng thông mới với các kỹ thuật quản lý băng thông linh hoạt hơn nhằm tăng cường hiệu quả của hệ thống Mô hình quản lý băng thông này được gọi là mô hình quản lý băng thông động hay còn gọi là mô hình quản lý băng thông thích nghi

b Giới thiệu mô hình quản lý băng thông động

Mô hình quản lý băng thông động mà chúng tôi nghiên cứu hoạt động theo nguyên lý của hệ thống phản hồi mạch đóng (xem hình vẽ) Thành phần chính của

hệ thống tương tự như trong mô hình quản lý băng thông tĩnh bao gồm bộ điều khiển lưu lượng vào và bộ phân phối lưu lượng ra Ở đây, chúng ta tập trung nghiên cứu giải pháp quản lý băng thông tại các bộ định tuyến nhằm cấp phát tài nguyên cho các gói tin đến theo các ràng buộc QoS, điều kiện lưu lượng hiện tại và băng thông sẵn sàng tại cổng vào/ra của bộ định tuyến Với hệ thống được thiết kế như trên, chúng ta cần phải tính toán các tham số phản hồi của hệ thống, kết hợp với các tham số đầu vào để áp dụng vào điều khiển một cách linh hoạt lưu lượng đầu vào cũng như phân phối lưu lượng hướng ra

Hình 4-8 Mô hình quản lý băng thông động

1.8 Mô phỏng về webserver bằng omnest4.0 chạy trên cả linux và

Đa số viết ngôn ngữ C, C++ cơ bản và chung ngôn ngữ lập trình

Nói chung về ngôn ngữ lập trình

- Các khai báo biến như biến kiểu long, int, …biến cục bộ hàm, thủ tục, biến toàn cục

- Các câu lệnh if, for, while, repeat, …

- Các phép toán hạng +, - ,*, /…

- Chương trình chình, chương trình con

- Các giải thuật thực hiện chương trình

- Thư viện có sẵn, thư viện tự tạo thêm Thư viện mạng các socket

- Con trỏ

- Trong c++ lập trình đối tượng và sử dụng đối tượng, thừa kế đối tượng

Hình 4-9 Mô phỏng HTTP và FTP bằng omnet

5 CHƯƠNG 2 - CƠ SỞ MẠNG MÁY TÍNH

Mạng máy tính phát sinh từ nhu cầu muốn chia sẻ, dùng chung tài nguyên và cho phép giao tiếp trực tuyến (online) cũng như các ứng dụng đa phương tiện trên mạng Tài nguyên gồm có tài nguyên phần mềm (dữ liệu, chương trình ứng dụng, )

và tài nguyên phần cứng (máy in, máy quét, CD ROM,.) Giao tiếp trực tuyến bao gồm gửi và nhận thông điệp, thư điện tử Các ứng dụng đa phương tiện có thể là phát thanh, truyền hình, điện thoại qua mạng, hội thảo trực tuyến, nghe nhạc, xem phim trên mạng

Sự kết hợp của máy tính với các hệ thống truyền thông, đặc biệt là viễn thông,

đã tạo ra cuộc cách mạng trong vấn đề tổ chức khai thác và sử dụng hệ thống máy tính Mô hình tập trung dựa trên máy tính lớn được thay thế mô hình các máy tính đơn lẻ được kết nối lại để cùng thực hiện công việc, hình thành môi trường làm việc nhiều người sử dụng phân tán, cho phép nâng cao hiệu quả khai thác tài nguyên

chung từ những vị trí địa lý khác nhau Các hệ thống như thế được gọi là mạng máy

tính

2.1 Các yếu tố của mạng máy tính

Mạng máy tính có thể được định nghĩa: mạng máy tính là tập hợp các máy tính được nối với nhau bởi các đường truyền vật lý theo một kiến trúc nào đó Như vậy có hai khái niệm mà chúng ta cần phải làm rõ, đó là đường truyền vật lý và kiến trúc của một mạng máy tính ( sao,bus, ring)

2.1.1 Đường truyền vật lý

Đường truyền vật lý dùng để chuyển các tín hiệu giữa các máy tính Các tín hiệu đó biểu thị các giá trị dữ liệu dưới dạng các xung nhị phân (on - off) Tất cả các tín hiệu đó đều thuộc dạng sóng điện từ (trải từ tần số sóng radio, sóng ngắn, tia hồng ngoại)

+ Đường truyền hữu tuyến: cáp đồng trục, cáp đôi dây xoắn (có bọc kim, không bọc kim), cáp sợi quang

+ Đường truyền vô tuyến: radio, sóng cực ngắn, tia hồng ngoại

- Băng thông (còn gọi là dải thông - bandwidth): Băng thông là một khái

niệm cực kỳ quan trọng trong các hệ thống truyền thông băng thông tương tự (analog) và băng thông số (digital) Băng thông tương tự là độ đo phạm vi tần số

mà đường truyền có thể đáp ứng được trong một hệ thống điện tử dùng kỹ thuật tương

tự Đơn vị đo lường cho băng thông tương tự là Hz, hay số chu kỳ trên giây Băng thông số đo lường lượng thông tin tối đa từ nơi này đến nơi khác trong một thời gian cho trước Đơn vị cơ bản đo lường băng thông số là bít/giây (bps), Kilôbit/giây (kbps), Megabit/giây (Mbps), Gigabit/giây (Gbps),Terabit/giây

- Thông lượng (throughput): thông lượng là lượng thông tin thực sự được

truyền qua trong một đơn vị thời gian Đơn vị của thông lượng là bps và các bội của nó: Kbps, Mbps, Gbps, Tbps

- Hiệu suất sử dụng đường truyền (utilization): Đại lượng này đặc trưng cho

hiệu suất phục vụ của đường truyền trong mạng Nó được đo bằng tỷ lệ % giữa thông lượng và băng thông của đường truyền

- Độ trễ (delay): độ trễ là thời gian cần thiết để truyền một gói tin từ nguồn

đến đích Độ trễ thường được đo bằng miligiây (ms), giây (s) Độ trễ phụ thuộc vào băng thông của mạng Băng thông càng lớn thì độ trễ càng nhỏ

- Độ suy hao là độ đo sự yếu đi của tín hiệu trên đường truyền Nó cũng phụ thuộc vào độ dài cáp Còn độ nhiễu từ gây ra bởi tiến ồn điện từ bên ngoài làm

ảnh hưởng đến tín hiệu trên đường truyền

a Giao thức mạng

Việc trao đổi thông tin cho dù là đơn giản nhất, cũng đều phải tuân theo những quy tắc nhất định Việc truyền tín hiệu trên mạng cũng vậy, cần phải có những quy tắc, quy ước về nhiều mặt:

+ Khuôn dạng của dữ liệu: cú pháp và ngữ nghĩa

+ Thủ tục gửi và nhận dữ liệu

+ Kiểm soát chất lượng truyền

+ Xử lý các lỗi, sự cố

2.1.2 Phân loại mạng máy tính

Nếu lấy khoảng cách địa lý làm yếu tố chính để phân loại thì mạng máy tính được phân thành 4 loại: mạng cục bộ, mạng đô thị, mạng diện rộng, mạng

+ Tốn thời gian để thiết lập kênh cố định giữa hai thực thể

+ Hiệu suất sử dụng đường truyền thấp vì sẽ có lúc kênh bị bỏ không do cả hai bên đều hết thông tin cần truyền trong khi các thực thể khác không được phép

sử dụng kênh truyền này

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 đến 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

Mỗi nút cần phải lưu trữ tạm thời để “đọc” thông tin điều khiển trên thông báo

để sau đó chuyển tiếp thông báo đi Tuỳ thuộc vào điều kiện của mạng, các thông báo khác nhau có thể truyền theo đường truyền khác nhau

Ưu điểm so với mạng chuyển mạch kênh:

- Hiệu suất sử dụng đường truyền cao vì không bị chiếm dụng độc quyền mà được phân chia giữa nhiều thực thể

- Mỗi nút mạng có thể lưu trữ thông báo cho tới khi kênh truyền rỗi mới gửi thông báo đi, vì vậy giảm được tình trạng tắc nghẽn mạch

- Có thể điều khiển việc truyền tin bằng cách sắp xếp độ ưu tiên cho các thông báo

- Có thể tăng hiệu suất sử dụng dải thông bằng cách gán địa chỉ quảng bá

để gửi thông báo đồng thời tới nhiều đích

Mỗi thông báo được chia làm nhiều phần nhỏ hơn được gọi là các gói tin

có khuôn dạng quy 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

Hình 5-3 Mạng chuyển mạch gói

So sánh mạng chuyển mạch thông báo và mạng chuyển mạch gói:

♦ Giống nhau: phương pháp giống nhau

♦ Khác nhau: Các gói tin được giới hạn kích thước tối đa sao cho các nút mạng

có thể xử lý toàn bộ gói tin trong bộ nhớ mà không cần phải lưu trữ tạm thời trên đĩa

Vì thế mạng chuyển mạch gói truyền các gói tin qua mạng nhanh chóng và hiệu quả hơn so với mạng chuyển mạch thông báo Nhưng vấn đề khó khăn của mạng loại này là việc tập hợp các gói tin để tạo lại thông báo ban đầu của người sử dụng, đặc biệt trong trường hợp các gói được truyền theo nhiều đường khác nhau Cần phải cài đặt cơ chế “đánh dấu” gói tin và phục hồi gói tin bị thất lạc hoặc truyền bị lỗi cho các nút mạng

Do có ưu điểm mềm dẻo và hiệu suất cao hơn nên hiện nay mạng chuyển mạch gói được sử dụng phổ biến hơn các mạng chuyển mạch thông báo Việc tích hợp cả hai kỹ thuật chuyển mạch (kênh và gói) trong một mạng thống nhất (được gọi là mạng dịch vụ tích hợp số- Intergrated Services Digital Networks, viết tắt là

ISDN) đang là một xu hướng phát triển của mạng ngày nay

Bên cạnh đó, người ta còn phân loại mạng theo kiến trúc mạng (topo và giao thức sử dụng) Các mạng thường hay được nhắc đến như: mạng SNA của IBM, mạng ISO, mạng TCP/IP

2.2 Kiến trúc phân tầng và mô hình OSI

2.2.1 Kiến trúc phân tầng

Minh hoạ kiến trúc phân tầng tổng quát

Nguyên tắc của kiến trúc mạng phân tầng:

- Mỗi hệ thống trong một mạng đều có cấu trúc tầng như nhau (số lượng tầng, chức năng của mỗi tầng)

- Dữ liệu không được truyền trực tiếp từ tầng i của hệ thống này sang tầng

thứ i của hệ thống kia (ngoại trừ đối với tầng thấp nhất) Bên gửi dữ liệu cùng với các

thông tin điều khiển chuyển đến tầng ngay dưới nó và cứ thế cho đến tầng thấp nhất Bên dưới tầng này là đường truyền vật lý, ở đấy sự truyền tin mới thực sự diễn ra Đối với bên nhận thì các thông tin được chuyển từ tầng dưới lên trên cho

tới tầng i của hệ thống nhận

- Giữa hai hệ thống kết nối chỉ ở tầng thấp nhất mới có liên kết vật lý còn ở tầng cao hơn chỉ là liên kết logic hay liên kết ảo được đưa vào để hình thức hóa các hoạt động của mạng, thuận tiện cho việc thiết kế và cài đặt các phần mềm truyền thông

Các vấn đề cần phải giải quyết khi thiết kế các tầng

- Cơ chế nối, tách: mỗi một tầng cần có một cơ chế để thiết lập kết nối, và

có một cơ chế để kết thúc kết nối khi mà sự kết nối là không cần thiết nữa

- Các quy tắc truyền dữ liệu: Trong các hệ thống khác nhau dữ liệu có thể truyền theo một số cách khác nhau:

+ Truyền một hướng (simplex)

+ Truyền hai hướng đồng thời (full-duplex)

+ Truyền theo cả hai hướng luân phiên (half-duplex)

- Kiểm soát lỗi: Đường truyền vật lý nói chung là không hoàn hảo, cần phải thoả thuận dùng một loại mã để phát hiện, kiểm tra lỗi và sửa lỗi Phía nhận phải có khả năng thông báo cho bên gửi biết các gói tin nào đã thu đúng, gói tin nào phát lại

- Độ dài bản tin: Không phải mọi quá trình đều chấp nhận độ dài gói tin là tuỳ ý, cần phải có cơ chế để chia bản tin thành các gói tin đủ nhỏ

- Thứ tự các gói tin: Các kênh truyền có thể giữ không đúng thứ tự các gói tin, do đó cần có cơ chế để bên thu ghép đúng thứ tự ban đầu

- Tốc độ phát và thu dữ liệu: Bên phát có tốc độ cao có thể làm “lụt” bên thu

có tốc độ thấp Cần phải có cơ chế để bên thu báo cho bên phát biết tình trạng đó

để điều khiển lưu lượng hợp lý

2.2.2 Một số khái niệm cơ bản

Tầng (layer)

Thông tin được trao đổi giữa hai đối tượng A, B qua 3 bước:

- Phát tin: Thông tin chuyển từ tầng cao tầng thấp

- Nhận tin: Thông tin chuyển từ tầng thấp tầng cao

- Quá trình trao đổi thông tin trực tiếp qua đường truyền vật lý (thực hiện ở tầng cuối cùng)

Giao diện, dịch vụ, đơn vị dữ liệu

- Mối quan hệ giữa hai tầng kề nhau gọi là giao diện

- Mối quan hệ giữa hai tầng đồng mức của hai hệ thống khác nhau gọi là giao thức - Thực thể (entity): là thành phần tích cực trong mỗi tầng, nó có thể là một tiến trình trong hệ đa xử lý hay là một trình con các thực thể trong cùng 1 tầng ở các

hệ thống khác nhau (gọi là thực thể ngang hàng hay thực thể đồng mức) Mỗi thực thể có thể truyền thông lên tầng trên hoặc tầng dưới nó thông qua một giao diện (interface) Giao diện gồm một hoặc nhiều điểm truy nhập dịch vụ (Service Access Point - SAP) Tại các điểm truy nhập dịch vụ tầng trên chỉ có thể sử dụng dịch vụ do tầng dưới cung cấp Thực thể được chia làm hai loại: thực thể cung cấp dịch vụ và

sử dụng dịch vụ:

+ Thực thể cung cấp dịch vụ (service provide): là các thực thể ở tầng N cung cấp dịch vụ cho tầng N +1

+ Thực thể sử dụng dịch vụ (service user): đó là các thực thể ở tầng N sử dụng dịch vụ do tầng N - 1 cung cấp

- Đơn vị dữ liệu sử dụng giao thức (Protocol Data Unit - PDU)

- Đơn vị dữ liệu dịch vụ (Service Data Unit - SDU)

- Thông tin điều khiển (Protocol Control Information - PCI)

Một đơn vị dữ liệu mà 1 thực thể ở tầng N của hệ thống A gửi sang thực thể

ở tầng N ở một hệ thống B không bằng đường truyền trực tiếp mà phải truyền xuống dưới để truyền bằng tầng thấp nhất thông qua đường truyền vật lý

+ Dữ liệu ở tầng N-1 nhận được do tầng N truyền xuống gọi là SDU + Phần thông tin điều khiển của mỗi tầng gọi là PCI

+ Ở tầng N-1 phần thông tin điều khiển PCI thêm vào đầu của SDU tạo thành PDU Nếu SDU quá dài thì cắt nhỏ thành nhiều đoạn, mỗi đoạn bổ sung phần PCI, tạo thành nhiều PDU

Bên hệ thống nhận trình tự diễn ra theo chiều ngược lại Qua mỗi tầng PCI tương ứng sẽ được phân tích và cắt bỏ khỏi PDU trước khi gửi lên tầng trên

2.2.3 Mô hình OSI

2.2.3.1. Giới thiệu  

Open Systems Interconnection - OSI Reference Model gọi tắt là mô hình OSI Mô hình này được dùng làm cơ sở để nối kết các hệ thống mở phục vụ cho các ứng dụng phân tán

2.2.3.2. Chức năng các tầng trong mô hình OSI

a Tầng vật lý (Physical)

- Tầng vật lý liên quan đến truyền dòng các bit giữa các máy với nhau bằng đường truyền vật lý Tầng này liên kết các giao diện hàm cơ, quang và điện với cáp Ngoài ra nó cũng chuyển tải những tín hiệu truyền dữ liệu do các tầng ở trên tạo ra

- Tầng này phải quy định rõ mức điện áp biểu diễn dữ liệu 1 và 0 là bao nhiêu von trong vòng bao nhiêu giây

- Chiều truyền tin là 1 hay 2 chiều, cách thức kết nối và huỷ bỏ kết nối

- Định nghĩa cách kết nối cáp với card mạng: bộ nối có bao nhiêu chân, chức năng của mỗi chân

Tóm lại: Thiết kế tầng vật lý phải giải quyết các vấn đề ghép nối cơ, điện, tạo

ra các hàm, thủ tục để truy nhập đường truyền, đường truyền các bít

b Tầng liên kết dữ liệu (data link)

- Cung cấp phương tiện để truyền thông tin qua liên kết vật lý đảm bảo tin cậy: gửi các khối dữ liệu với cơ chế đồng bộ hoá, kiểm soát lỗi và kiểm soát luồng

dữ liệu cần thiết

- Các bước tầng liên kết dữ liệu thực hiện:

+ Chia nhỏ thành các khối dữ liệu frame (vài trăm bytes), ghi thêm vào đầu và cuối của các frame những nhóm bít đặc biệt để làm ranh giới giữa các frame

+ Trên các đường truyền vật lý luôn có lỗi nên tầng này phải giải quyết vấn đề sửa lỗi (do bản tin bị hỏng, mất và truyền lại)

+ Giữ cho sự đồng bộ tốc độ giữa bên phát và bên thu

Tóm lại: tầng liên kết dữ liệu chịu trách nhiệm chuyển khung dữ liệu không

lỗi từ máy tính này sang máy tính khác thông qua tầng vật lý Tầng này cho phép tầng mạng truyền dữ liệu gần như không phạm lỗi qua liên kết mạng

c Tầng mạng (Network)

- Lập địa chỉ các thông điệp, diễn dịch địa chỉ và tên logic thành địa chỉ vật lý

- Kiểm soát và điều khiển đường truyền: Định rõ các bó tin được truyền đi theo con đường nào từ nguồn tới đích Các con đường đó có thể là cố định đối với những mạng ít thay đổi, cũng có thể là động nghĩa là các con đường chỉ được xác

định trước khi bắt đầu cuộc nói chuyện Các con đường đó có thể thay đổi tuỳ theo trạng thái tải tức thời

- Quản lý lưu lượng trên mạng: chuyển đổi gói, định tuyến, kiểm soát sự tắc nghẽn dữ liệu (nếu có nhiều gói tin cùng được gửi đi trên đường truyền thì có thể xảy ra tắc nghẽn )

- Kiểm soát luồng dữ liệu và cắt hợp dữ liệu (nếu cần)

d Tầng giao vận (Transport)

- Thực hiện việc truyền dữ liệu giữa hai đầu nút (end - to - end)

- Thực hiện kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu từ máy đến máy Đảm bảo gói tin truyền không phạm lỗi, theo đúng trình từ, không bị mất mát hay sao chép

- Thực hiện việc ghép kênh, phân kênh cắt hợp dữ liệu (nếu cần) Đóng gói thông điệp, chia thông điệp dài thành nhiều gói tin và gộp các gói nhỏ thành một bộ

- Tầng này tạo ra một kết nối cho mỗi yêu cầu của tầng trên nó Khi có nhiều yêu cầu từ tầng trên với thông lượng cao thì nó có thể tạo ra nhiều kết nối và cùng một lúc có thể gửi đi nhiều bó tin trên đường truyền

e Tầng phiên (Session)

- Cung cấp phương tiện truyền thông giữa các ứng dụng: cho phép người

sử dụng trên các máy khác nhau có thể thiết lập, duy trì, huỷ bỏ và đồng bộ hoá các phiên truyền thông giữa họ với nhau

- Nhiệm vụ chính:

+ Quản lý thẻ bài đối với những nghi thức: hai bên kết nối để truyền thông tin không đồng thời thực hiện một số thao tác Để giải quyết vấn đề này tầng phiên cung cấp 1 thẻ bài, thẻ bài có thể được trao đổi và chỉ bên nào giữ thẻ bài mới có thể thực hiện một số thao tác quan trọng

+ Vấn đề đồng bộ: khi cần truyền đi những tập tin dài tầng này chèn thêm các điểm kiểm tra (check point) vào luồng dữ liệu Nếu phát hiện thấy lỗi thì chỉ có dữ liệu sau điểm kiểm tra cuối cùng mới phải truyền lại

f Tầng trình diễn (Presentation)

- Quyết định dạng thức trao đổi dữ liệu giữa các máy tính mạng Người ta có thể gọi đây là bộ dịch mạng Ở bên gửi, tầng này chuyển đổi cú pháp dữ liệu từ dạng thức do tầng ứng dụng gửi xuống sang dạng thức trung gian mà ứng dụng nào cũng

có thể nhận biết Ở bên nhận, tầng này chuyển các dạng thức trung gian thành dạng thức thích hợp cho tầng ứng dụng của máy nhận

- Tầng trình diễn chịu trách nhiệm chuyển đổi giao thức, biên dịch dữ liệu,

mã hoá dữ liệu, thay đổi hay chuyển đổi ký tự và mở rộng lệnh đồ hoạ

- Nén dữ liệu nhằm làm giảm bớt số bít cần truyền

- Ở tầng này có bộ đổi hướng hoạt đông để đổi hướng các hoạt động nhập/xuất để gửi đến các tài nguyên trên mấy phục vụ

dữ liệu và email

- Xử lý truy nhập mạng chung, kiểm soát lỗi và phục hồi lỗi

2.2.3.3. Các dịch vụ và hàm  

a Dịch vụ định hướng liên kết và dịch vụ không liên kết

Ở mỗi tầng trong mô hình OSI có hai loại dịch vụ: dịch vụ định hướng liên kết (connection - oriented service) và dịch vụ không định hướng liên kết

(connectionless service)

- Dịch vụ định hướng liên kết: là dịch vụ theo mô hình điện thoại, trước khi truyền dữ liệu cần thiết lập một liên kết logic giữa các thực thể đồng mức

- Dịch vụ không liên kết: không cần phải thiết lập liên kết logic và một đơn vị

dữ liệu được truyền là độc lập với các đơn vị dữ liệu trước hoặc sau nó Loại dịch vụ này theo mô hình bưu điện: mỗi bản tin hay mỗi bức thư cần có một địa chỉ cụ thể bên nhận

Trong phương pháp liên kết quá trình truyền thông gồm có 3 giai đoạn:

- Thiết lập liên kết (logic): hai thực thể đồng mức ở hai hệ thống sẽ thương lượng với nhau về tập các tham số sẽ sử dụng trong giai đoạn truyền sau (thể hiện bằng hàm CONNECT)

- Truyền dữ liệu: dữ liệu được truyền với các cơ chế kiểm soát và quản lý kèm theo (kiểm soát lỗi, kiểm soát luồng dữ liệu, cắt/hợp dữ liệu, ) để tăng độ tin cậy và hiệu quả của việc truyền dữ liệu (hàm DATA)

- Huỷ bỏ liên kết (logic): giải phóng các tài nguyên hệ thống đã được cấp phát cho liên kết để dùng cho các liên kết khác (hàm DISCONNECT)

- Trong mỗi loại dịch vụ được đặc trưng bằng chất lượng dịch vụ Có dịch vụ đòi hỏi bên nhận tin gửi thông báo xác nhận khi đó độ tin cậy được bảo đảm Có những ứng dụng không chấp nhận sự chậm trễ do phải xác nhận sự truyền tin Nhưng có nhiều ứng dụng như thư tín điện tử người gửi chỉ cần có một dịch vụ với

độ tin cậy cao, chấp nhận sự chậm trễ

b Các hàm nguyên thuỷ của dịch vụ

Một dịch vụ gồm 1 số thao tác sơ cấp hay các hàm nguyên thuỷ Một thực thể cung cấp dịch vụ cho một thực thể ở tầng trên nó thông qua việc gọi các hàm nguyên thuỷ Các hàm nguyên thuỷ chỉ rõ chức năng cần phải thực hiện và dùng để chuyển

dữ liệu vào thông tin điều khiển Có 4 hàm nguyên thuỷ được dùng để xác định tương tác giữa các tầng kề nhau

- Request (yêu cầu): người sử dụng dịch vụ dùng để gọi chức năng hoặc yêu

cầu thực thể khác thực hiện một công việc nào đó

- Indication (chỉ báo): người cung cấp dịch vụ dung để gọi một chức năng

nào đó, chỉ báo một chức năng đã được gọi ở một điểm truy nhập dịch vụ

- Response (trả lời): người sử dụng dịch vụ dùng để hoàn tất một chức năng

đã được gọi từ trước bởi một hàm nguyên thuỷ Indication ở điểm truy nhập dịch vụ

đó

- Confirm (xác nhận): người cung cấp dịch vụ dùng để hoàn tất một chức

năng đã được gọi từ trước bởi một hàm nguyên thuỷ Response tại điểm truy nhập dịch vụ

2.2.4 Mô hình TCP/IP

Mặc dù mô hình tham chiếu OSI được chấp nhận rộng rãi khắp nơi, nhưng chuẩn mở về kỹ thuật mang tính lịch sử của Internet lại là TCP/IP Mô hình tham chiếu TCP/IP và chồng giao thức TCP/IP tạo khả năng truyền dữ liệu giữa hai máy tính từ bất kỳ nơi nào trên thế giới, với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sáng Mô hình TCP/IP có tầm quan trọng trong lịch sử, gần giống như các chuẩn đã cho phép điện thoại, năng lượng điện, đường sắt, truyền hình và công nghệ băng hình phát triển cực thịnh

a Các tầng của mô hình tham chiếu TCP/IP

Bộ quốc phòng Mỹ gọi tắt là DoD đã tạo ra mô hình tham chiếu TCP/IP vì muốn một mạng có thể tồn tại trong bất cứ điều kiện nào, ngay cả khi có chiến tranh hạt nhân DoD muốn các gói dữ liệu xuyên suốt mạng vào mọi lúc, dưới bất cứ điều kiện nào, từ bất cứ một điểm đến một điểm khác Đây là một bài toán thiết kế cực kỳ khó khăn mà từ đó làm nảy sinh ra mô hình TCP/IP, vì vậy đã trở thành chuẩn Internet để phát triển

b Tầng ứng dụng (Application)

Các nhà thiết kế TCP/IP cảm thấy rằng các giao thức mức cao nên bao gồm các tầng trình bày và tầng phiên Để đơn giản, họ tạo ra một tầng ứng dụng kiểm soát các giao thức mức cao, các vấn đề của tầng trình bày, mã hoá và điều khiển hội thoại TCP/IP tập hợp tất cả các vấn đề liên quan đến ứng dụng vào trong một tầng, và đảm bảo dữ liệu được đóng gói một cách thích hợp cho tầng kế tiếp

c Tầng vận chuyển (Transportation)

Tầng vận chuyển đề cập đến các vấn đề chất lượng dịch vụ như độ tin cậy, điều khiển luồng và sửa lỗi Một trong các giao thức của nó la TCP, TCP cung cấp các phương thức linh hoạt và hiệu quả để thực hiện các hoạt động truyền dữ liệu tin cậy, hiệu xuất cao và ít lỗi TCP là giao thức có tạo cầu nối (connection-oriented)

Nó tiến hành hội thoại giữa nguồn và đích trong khi bọc thông tin tầng ứng dụng thành các đơn vị gọi là segment Tạo cầu nối không có nghĩa là tồn tại một mạch thực

sự giữa hai máy tính, thay vì vậy nó có nghĩa là các segment của tầng 4 di chuyển tới và lui giữa hai host để công nhận kết nối tồn tại một cách luận lý trong một khoảng thời gian nào đó Điều này coi như chuyển mạch gói (packet switching)

d Tầng Internet

Mục tiêu của tầng Internet là truyền các gói tin bắt nguồn từ bất kỳ mạng nào trên liên mạng và đến được đích trong điều kiện độc lập với đường dẫn và các mạng mà chúng đã trải qua Giao thức đặc trưng khống chế tầng này được gọi là

IP Công việc xác định đường dẫn tốt nhất và hoạt động chuyển mạch gói diễn ra tại tầng này

e Tầng truy xuất mạng (Host to network)

Tên của tầng này có nghĩa khá rộng và có phần hơi rối rắm Nó cũng được gọi là tầng host-to-network Nó là tầng liên quan đến tất cả các vấn đề mà một gói IP yêu cầu để tạo một liên kết vật lý thực sự, và sau đó tạo một liên kết vật lý khác Nó bao gồm các chi tiết kỹ thuật LAN và WAN, và tất cả các chi tiết trong tầng liên kết

dữ liệu cũng như tầng vật lý của mô hình OSI

Mô hình TCP/IP hướng đến tối đa độ linh hoạt tại tầng ứng dụng cho người phát triển phần mềm Tầng vận chuyển liên quan đến hai giao thức TCP và UDP (User Datagram Protocol) Tầng cuối cùng, tầng truy xuất mạng liên kết đến các kỹ thuật LAN hay WAN đang được dùng

Trong mô hình TCP/IP không cần quan tâm đến ứng dụng nào yêu cầu các dịch vụ mạng, và không cần quan tâm đến giao thức vận chuyển nào đang được dùng, chỉ có một giao thức mạng IP Đây là một quyết định thiết kế có cân nhắc kỹ IP phục vụ như một giao thức đa năng cho phép bất kỳ máy tính nào, ở bất cứ đâu, truyền dữ liệu vào bất cứ thời điểm nào

2.2.5 Mô hình SNA

Tháng 9/1973, Hãng IBM giới thiệu một kiến trúc mạng máy tính SNA Đến năm 1977 đã có 300 trạm SNA được cài đặt Cuối năm 1978, số lượng đã tăng lên đến 1250, rồi cứ theo đà đó cho đến nay đã có 20.000 trạm SNA đang được hoạt động Qua con số này chúng ta có thể hình dung được mức độ quan trọng và tầm ảnh hưởng của SNA trên toàn thế giới

Cần lưu ý rằng SNA không là một chuẩn quốc tế chính thức như OSI nhưng

do vai trò to lớn của hãng IBM trên thị trường CNTT nên SNA trở thành một loại chuẩn thực tế và khá phổ biến SNA là một đặc tả gồm rất nhiều tài liệu mô tả kiến trúc của mạng xử lý dữ liệu phân tán Nó định nghĩa các quy tắc và các giao thức cho sự tương tác giữa các thành phần (máy tính, trạm cuối, phần mềm) trong mạng