Bài giảng mạng máy tính (computer network)

Mỗi lớp trong máy gửi thêm các thông tin của mình vào thông điệp nhận được từ phía trên xuống, rồi sau đó chuyển toàn bộ gói dữ liệu xuống lớp phía dưới.. Mỗi liên kết tạo ra trên tầng g

MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER NETWORK)

Cấu trúc điểm:

Quá trình 30% bao gồm: Chuyên cần 15% và thi giữa kỳ 15% Thi cuối kỳ 70%

Nội dung chi tiết môn học:

A- Nội dung tổng quát

2.2 Lớp liên kết dữ liệu 2.3 Lớp mạng

Chương 4 – Các kỹ thuật mã hóa

Chương 1 – Tổng quan (Overview)

1.1 Giới thiệu (Introduction)

Server

Network Cable

NIC – Network Interface Card

HUB

Switch

Bridge

Repeater

Router

1.2 Phân loại mạng máy tính (Network classification)

- Phân loại theo khoảng cách địa lý

- Phân loại theo phương thức kết nối

- Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch

Phân loại theo khoảng cách địa lý

+ Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network)

+ Mạng diện rộng (WAN – Wide Area Network)

+ Mạng đô thị (MAN - Metropolitan Area Network) + Mạng toàn cầu (GAN – Global Area Network)

Mạng cục bộ (LAN - Local Area Network)

Chuyển mạch gói Packet switching Frame relay

Truyền bất đồng bộ (ATM)

Mạng đô thị (MAN - Metropolitan Area Network)

Kết nối các mạng LAN trong khu vực đô thị (chẳng hạn LAN của các tòa nhà)

Mạng toàn cầu (GAN – Global Area Network)

Mạng của các mạng WAN

Trải rộng trên toàn cầu của các công ty đa quốc gia

Phân loại theo phương thức kết nối

Dạng BUS

Dạng vòng (RING)

Dạng sao (STAR)

Dạng phân tầng (Hierarchical)

Dạng hình lưới (MESH)

Phân loại theo kỹ thuật chuyển mạch

Chuyển mạch tương tự (Circuit switched network) Chuyển mạch thông báo (message switched network) Chuyển mạch gói (packet switched network)

MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER NETWORK)

Chương 2 – Mô hình 7 lớp

Mô hình 7 lớp (OSI - Open Systems Interconnection)

Đây là mô hình cho phép bất cứ 2 hệ thống nào (cho dù khác nhau) cũng có thể truyền thông được với nhau mà không cần quan tâm đến kiến trúc bên dưới của chúng

Tại lớp vật lý, truyền thông diễn ra trực tiếp (A gửi một luồng bit đến B dưới dạng tín hiệu)

Tại các lớp cao hơn của máy gửi (chẳng hạn hệ thống A), dữ liệu được chuyển dần xuống các lớp bên dưới

Mỗi lớp trong máy gửi thêm các thông tin của mình vào thông điệp nhận được từ phía trên xuống, rồi sau đó chuyển toàn bộ gói dữ liệu xuống lớp phía dưới

Các thông tin được thêm vào là header (thông tin chèn trước) ở các lớp 6, 5, 4, 3 và 2 và là trailer (thông tin chèn sau) ở lớp 2

Hai lớp kề nhau trao đổi dữ liệu với nhau qua các giao diện (interface), giao diện này định nghĩa cách thức và khuôn dạng dữ liệu trao đổi

Trong thuật ngữ mạng, người ta thường gọi giao diện giữa các lớp

là điểm truy cập dịch vụ (SAP – Service Access Point)

Có thể chia 7 lớp vào 3 nhóm

Nhóm lớp hỗ trợ mạng: vật lý, liên kết dữ liệu, mạng

Nhóm lớp hỗ trợ người dùng: Phiên, trình diễn, ứng dụng

Lớp đảm bảo việc chuyển dữ liệu đầu cuối tin cậy: Giao vận

- Đồng bộ hóa các bit

- Cấu hình đường truyền

- Topo (mô hình ghép nối) vật lý

- Kiểm soát lưu lượng

- Kiểm soát lỗi

- Kiểm soát truy cập

2.3 Lớp mạng

Chịu trách nhiệm chuyển gói dữ liệu từ nới gửi đến nơi nhận, gói

dữ liệu có thể đi qua nhiều mạng (các chặng trung gian)

Đảm bảo gói dữ liệu sẽ được chuyển từ nơi gửi đến đúng nơi nhận

Có 3 giai đoạn kết nối gồm thiết lập kết nối, truyền dữ liệu và giải phóng kết nối

Nhiệm vụ:

- Tạo địa chỉ cổng (port number)

- Phân mảnh và tái hợp nhất

- Kiểm soát kết nối

- Kiểm soát lưu lượng

- Kiểm soát lỗi

- Gửi thư điện tử

- Thiết bị đầu/cuối ảo của mạng

- Quản lý, truy cập và chuyển file

- Ứng dụng web

MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER NETWORK)

Chương 3 – Truyền dữ liệu

37: Time 42: Name Server 53: Domain Name Server

69: TFTP (Trivial File Transfer Protocol) TCP Ports:

0: Reserved 1: TCP Multiplexer 20: FTP_Data Connection 21: FTP_Command Connection 23: telnet

25: SMTP 42: Name Server 53: Domain Name Server 79: Finger_find a active user 80: HTTP

Socket: mỗi socket xác định một điểm cuối liên kết truyền thông 2 chiều giữa các tiến trình giao tiếp trên mạng

Stream socket: sử dụng với TCP

Datagram socket: sử dụng với giao thức UDP

Lập trình socket

Phần lớn ứng dụng mạng gồm 2 phía là Client và Server Hai phía trao đổi với nhau bằng cách gửi và nhận các thông điệp qua Socket

Chương trình phía server chạy và lắng nghe trên một cổng nào

đó để đợi phía client kết nối tới Nếu mọi việc diễn ra bình thường (kết nối thành công), cả hai phía đều có hai thể hiện của lớp Socket

và dữ liệu sẽ được truyền qua 2 socket này

Mở socket bên phía client dùng lớp Socket

Mở socket bên phía server dùng lớp ServerSocket

Phía client dùng lớp DataInputStream để nhận thông điệp trả lời từ server

Phía server cũng dùng lớp DataInputStream để nhận thông điệp trả lời từ client

Phía client dùng lớp PrintStream hoặc DataOutputStream của java.io để gửi thông điệp cho server

Phía server dùng lớp PrintStream để gửi thông điệp cho client Đóng kết nối

Trong mạng Internet hay mạng TCP/IP có hai giao thức ở lớp vận chuyển là UDP và TCP

UDP: User Datagram Protocol

TCP: Transmission Control Protocol

UDP: cung cấp dịch vụ truyền không tin cậy, không hướng nối TCP: cung cấp dịch vụ tin cậy, hướng nối cho ứng dụng

IP: Internet Protocol, là giao thức của lớp mạng

Nhiệm vụ chính của UDP và TCP là mở rộng dịch vụ IP

Ứng dụng Giao thức lớp ứng dụng Lớp vận chuyển tương ứng

Đa phương tiện Do hãng sản xuất UDP

Điện thoại qua

Internet

Do hãng sản xuất UDP

3.2 Dồn kênh, phân kênh (Multiplexing, Demultiplexing)

Dồn kênh tại host gửi

Thu thập dữ liệu từ các socket, đóng gói dữ liệu bởi header (sau đó sẽ dùng để phân kênh)

Phân kênh tại host nhận:

Chuyển các segment đã nhận tới đúng socket

Gửi: Dồn kênh: Nhận dữ liệu từ các tiến trình lớp ứng dụng khác nhau (qua Socket), đóng gói theo các giao thức của lớp vận chuyển

Nhận: Phân kênh: Sử dụng thông tin trên tiêu đề để gửi dữ liệu tới đúng socket

Mỗi liên kết tạo ra trên tầng giao vận để vận chuyển dữ liệu cho tiến trình ứng dụng của 2 nút mạng được xác định bởi 5 bộ thông số:

Địa chỉ IP và số hiệu cổng sẽ được sử dụng để xác định socket nhận dữ liệu

Checksum

Phát hiện lỗi trong các bản tin/gói tin

Gửi: (nguyên lý chung)

Chia dữ liệu thành các phần có kích thước n bits

Tính tổng các phần Nếu kết quả tràn quá n bits, cộng các bit tràn vào đầu kết quả

Đảo bit kết quả cuối cùng được checksum

Truyền checksum kèm theo dữ liệu

Nhận :

Tách dữ liệu và checksum

Chia dữ liệu thành các phần có kích thước n bits

Tính tổng các phần và checksum Nếu kết quả tràn quá n bit, cộng các bit tràn vào phần kết quả

Nếu kết quả cuối xuất hiện bit 0=>dữ liệu bị lỗi

MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER NETWORK)

Chương 4 – Các kỹ thuật mã hóa

4.1 Giới thiệu

Dữ liệu số → tín hiệu số (Digital Data → Digital Signal)

Dữ liệu tương tự → tín hiệu số (Analog Data → Digital Signal)

Dữ liệu số → tín hiệu tương tự (Digital Data → Analog Signal)

Dữ liệu tương tự → tín hiệu tương tự (Analog Data → Analog Signal)

Tín hiệu Số

Rời rạc, gồm các xung điện áp riêng rời

Mỗi xung là một phần tử tín hiệu

Dữ liệu nhị phân được mã hóa thành các thành phần tín hiệu

Thời gian bit

Thời gian cần thiết để bộ truyền phát ra một bit

Tỷ số điều biến (Modulation rate)

Là tỷ số thay đổi các mức tín hiệu

Đo bằng baud = số thành phần tín hiệu một giây

Đánh dấu và khoảng trống

Biểu diễn bit 1 (dấu) và bit 0 (trống)

Truyền tín hiệu:

Cần biết

Sự định thời của các bit – (bắt đầu và kết thúc bit) Các mức tín hiệu

Các yếu tố ảnh hưởng sự thông dịch tín hiệu

Tỷ số SNR (Signal to noise ratio)

Tỷ số truyền (Data rate)

Băng thông (Bandwidth)

So sánh cách thức mã hóa

Phổ tín hiệu (Signal Spectrum)

Không có các tần số cao, băng thông đòi hỏi giảm Tập trung công suất vào giữa băng thông

Đánh nhịp

Đồng bộ hóa giữa bộ truyền và bộ nhận

Thêm đồng hồ

Cơ chế đồng bộ bằng tín hiệu

Dò lỗi (Error detection)

Có thể sắp xếp ngay trong tín hiệu mã hóa

4.2 Mã hóa NRZ

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-L)

Dùng hai mức điện áp khác nhau cho bit 0 và 1

Điện áp không đổi trong suốt thời gian bit

Không dịch chuyển (không trở về mức điện áp 0)

Áp dụng:

ví dụ: không có điện → 0, có điện → 1 (Absence of voltage for zero, constant positive voltage for one) Thường xuyên hơn, điện áp âm cho 1 và điện áp dương cho 0 (negative voltage for one value and positive for the other)

Đó gọi là NRZ-L

Nonreturn to Zero-Level (NRZ-I)

NRZ-I đảo cực tín hiệu đối với các giá trị 1 (Nonreturn to zero inverted on ones)

Xung điện áp không đổi trong suốt thời gian bit (Constant voltage pulse for duration of bit)

Dữ liệu được mã hóa bằng sự có hay vắng sự dịch chuyển ngay đầu thời gian bit (Data encoded as presence or absence of signal transition at beginning of bit time)

Dịch chuyển (lên hay xuống) biểu thị bit 1 (hoặc 0) (Transition

(low to high or high to low) denotes a binary 1)

Không có dịch chuyển biểu thị bit 0 (hoặc 1) (No transition

denotes binary 0)

Là một ví dụ kỹ thuật mã hóa vi (sai) phân (differential encoding)

Mã hóa vi (sai) phân (Differential Encoding)

Dữ liệu được biểu diễn bằng sự thay đổi tín hiệu thay vì các mức tín hiệu (Data represented by changes rather than levels)

Ưu điểm: phát hiện sự dịch chuyển dề dàng hơn phát hiện mức tín hiệu (More reliable detection of transition rather than level)

Nhược điểm: trong các hệ thống phức tạp, dễ dàng mất đi cảm nhận về cực của tín hiệu (In complex transmission layouts it is easy to lose sense of polarity)

Ưu nhược điểm NRZ

Ưu

Dễ thi hành

Sử dụng băng thông tốt

Nhược

Chứa thành phần 1 chiều (dc component)

Ít được đồng bộ hóa (Lack of synchronization capability)

4.3 Mã hóa Manchester

Sự dịch chuyển ở chính giữa thời gian bit

Sự dịch chuyển đóng vai trò đánh nhịp và mang dữ liệu

Dịch chuyển lên: 1

Dịch chuyển xuống: 0

Sử dụng với LAN theo chuẩn IEEE 802.3

Mã hóa Manchester sai phân

Dịch chuyển ở giữa thời gian bit chỉ đóng vai trò đánh nhịp Dịch chuyển ở đầu thời gian bit: 0

Không dịch chuyển ở đầu thời gian bit: 1

Note: this is a differential encoding scheme

Sử dụng với LAN theo chuẩn IEEE 802.5

4.4 Một số mã khác

Nhị phân đa mức (Multilevel Binary)

Sử dụng nhiều hơn hai mức tín hiệu (Use more than two levels)

Bipolar-AMI

Bit 0 – không có tín hiệu (zero represented by no line signal) Bit 1 biểu diễn bằng xung dương hoặc âm (one represented by positive or negative pulse)

Các xung 1 thay đổi cực luân phiên (one pulses alternate in polarity)

Không mất đồng bộ với chuỗi 1 dài (0’s still a problem)

Không thành phần tần số 0

Băng thông thấp

Dễ hiệu chỉnh lỗi

Giả tam phân Pseudoternary

Bit 1 biểu diễn bằng vắng tín hiệu (One represented by absence

of line signal)

Bit 0 luân phiên thay đổi các xung âm và dương (Zero represented by alternating positive and negative)

Không có ưu nhược điểm gì khác với bipolar-AMI

B8ZS

Bipolar With 8 Zeros Substitution

Dựa trên bipolar-AMI

Nếu octet gồm toàn số 0 và xung liền trước dương thì thay

bằng 000+-0-+

Nếu octet gồm toàn số 0 và xung liền trước âm thì thay bằng 000-+0+-

Gây ra 2 vi phạm so với mã AMI

Khó có thể xảy ra được do nhiễu

Bộ thu phát hiện và thay thế bằng toàn số 0

HDB3

High Density Bipolar 3 Zeros

Dựa trên bipolar-AMI

Chuỗi gồm 4 số 0 được thay bằng một hoặc hai xung

Khóa dịch biên độ (Amplitude shift keying - ASK) Khóa dịch tần số (Frequency shift keying - FSK) Khóa dịch pha (Phase shift keying PSK)

Điều chế QAM

Điều chế mã xung PCM

Điều chế Delta

MẠNG MÁY TÍNH (COMPUTER NETWORK) Chương 5 – Ghép kênh

5.1 Mô hình ghép kênh

5.2 Ghép kênh FDM

FDM (Frequency Divide Multiplexing)

Băng thông hữu dụng của đường truyền vượt quá băng thông đòi hỏi của kênh truyền

Mỗi tín hiệu được điều biến đến một tần số mang riêng (carrier frequency)

Các tần số mang được tách biệt nên các tín hiệu không chồng đè nhau, đặc biệt được bảo vệ bởi dải bảo vệ guard band

Thông dụng trong truyền thông radio

Từng kênh được cấp phát cố định (tức là, không có dữ liệu vẫn được giành riêng)

Sơ đồ FDM

Hệ thống FDM

Các hệ thống truyền tải tương tự

AT&T (USA)

Các hình thức phân cấp FDM

Group

12 kênh x 4kHz/kênh = 48kHz Phạm vi 60kHz đến 108kHz

Supergroup

5 groups = 60 kênh Phạm vi từ 420kHz đến 612 kHz Mastergroup

10 supergroups

Phân chia bước sóng (WDM)

Các tia sáng có tần số khác nhau được dẫn đi trong cáp quang Cũng là một dạng của FDM

Mỗi màu (bước sóng) mang một kênh dữ liệu Năm 1997 tại Bell Labs

100 tia → 100 kênh

Mỗi kênh có tốc độ 10 Gbps hay 1 TB/s

Các hệ thống hiện nay có tới 160 kênh 10 Gbps Gần đây tại Alcatel Labs: 256 kênh 39.8 Gbps

10.1 Tbps

Khoảng cách truyền 100km

Hoạt động của WDM

Giống như FDM

Các nguồn phát các tia sáng có tần số khác nhau

Bộ ghép kênh thực hiện kết hợp các nguồn và truyền đi trên chỉ một cáp quang

Khoảng vài chục km (30), cần bộ khuếch đại tất cả các bước sóng (tránh tắt dần và bước sóng ngắn lại)

Bộ giải kênh ở đích phân tách các kênh theo bước sóng khác nhau

Hầu hết bước sóng trong khoảng 1550nm Ban đầu băng thông khoảng 200MHz /kênh Hiện nay 50GHz

5.3 Ghép kênh TDM

TDM đồng bộ

Synchronous Time Division Multiplexing

Tỷ số dữ liệu của đường truyền vượt quá tỷ số dữ liệu của tín hiệu số cần truyền

Các tín hiệu số được truyền xen kẽ thời gian, có thể xen kẽ theo khối bit

Các khoảng thời gian được gán trước (và cố định) cho từng nguồn dữ liệu

Cho nên: các khoảng thời gian truyền (tài nguyên) được cấp phát kể cả khi không có dữ liệu

Một cách cải thiện: các khoảng thời gian truyền không nhất thiết phải được gán đều cho tất cả các nguồn dữ liệu (Statistical TDM)

Sơ đồ TDM

Hệ thống TDM

Kiểm soát liên kết TDM

Không cần có các header và trailer

Không cần phải trang bị các giao thức kiểm soát liên kết dữ liệu

Điều khiển luồng: đơn giản, vì

Tỷ số dữ liệu của đường liên kết là cố định, khi một kênh (vì lý do nào đó) không nhận được dữ liệu, thì các kênh khác vẫn làm việc và chỉ nguồn dữ liệu tương ứng ảnh hưởng

Các khoảng thời gian truyền tương ứng sẽ bỏ trống

Kiểm soát lỗi

Được thực hiện riêng theo từng kênh truyền

Nhồi xung (Pulse Stuffing)

Khó khăn – Đồng bộ hóa các nguồn dữ liệu khác nhau Bởi

Nhịp làm việc của các nguồn có thể khác nhau

Tỷ số dữ liệu của các nguồn dữ liệu cũng khác nhau

Giải pháp - Pulse Stuffing

Nhồi thêm xung: tỷ số dữ liệu đầu ra cao hơn đầu vào (vì

có chứa thêm xung đã nhồi vào)

Các xung nhồi vào nhằm mục đích nâng cao tỷ số dữ liệu riêng của kênh bằng với nhịp chung

Các xung được nhồi vào các vị trí cố định trong khung tin

và được gỡ bỏ tại bộ giải kênh khi nhận

Đàm thoại: mỗi kênh 1 word dữ liệu số hóa bằng PCM với

8000 mẫu /giây

Tỷ số dữ liệu: 8000x193 = 1.544Mbps Từng 5 trong số 6 khung tin liên nhau gồm 8 bit mẫu PCM Khung thứ 6 là word 7 bit PCM + bit báo hiệu

Các bit báo hiệu tạo luồng cho mỗi kênh chứa thông tin điều khiển và tìm đường

Dữ liệu số: có cùng dạng thức

23 kênh dữ liệu

7 bit/khung + bit điều khiển Kênh thứ 24 giành riêng để thi hành đồng bộ

Dữ liệu hỗn hợp

DS-1 cũng có thể mang tải hỗn hợp (số và giọng nói)

Sử dụng 24 kênh

Không cần byte thi hành SYNC

Cao hơn 1,544 Mbps có thể được bằng cách truyền xen kẽ (multiplex) các kênh DS-1

Ví dụ: DS-2 ghép bốn nguồn DS-1 cho 6.312Mbps